CN111336400A - 一种高压储氢瓶的内胆及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压储氢瓶的内胆及制备方法，内胆包括瓶体和封头，所述瓶体一端连接封头，瓶体的另一端封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层和热塑性树脂层组合形成，所述封头由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头上，所述金属镀层的厚度不大于0.5mm。其制备方法为：采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，将热塑性树脂制成瓶体，将封头与瓶体热熔焊接为一体，在瓶体内壁镀一层金属镀层。本发明解决了塑料内胆的瓶口和金属件密封性差及内胆充装易局部过热的技术问题，并且能够很好的解决高压复合材料气瓶疲劳和轻量化问题。
Description
技术领域
本发明属于高压容器技术领域，涉及高压容器的内胆，具体涉及一种高压储氢瓶的内胆及制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着氢能源技术的发展，用作储氢、运氢的高压气瓶，其工作压力需大幅度提高。工作压力的提高在带来储气量提升的同时，对气瓶本身的性能也有了更高的要求。目前大力发展的是III型瓶(即：金属内胆纤维全缠绕气瓶)和IV型气瓶(即：塑料内胆纤维全缠绕气瓶)，这两种气瓶的内胆具有各自的优缺点：III型瓶具有密封性好，抗渗透力强，与金属件结合力好等优点，但存在容重比低，疲劳性能差等缺点；IV型气瓶具有容重比高、耐腐蚀、疲劳性好等优点，但由于内胆和金属附件性能差异较大，存在塑料瓶口与金属阀门等金属件结合力差的情况，同时由于塑料内胆导热性差，在气体充装气瓶时，会产生局部过热，易产生静电等问题。目前，国内已有很多专利很好地解决了瓶口金属件与塑料内胆的接合问题，但是，经过本发明的发明人研究发现，瓶口的金属件存在密封缺陷、充装时存在局部过热及产生大量静电等缺陷。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高压储氢瓶的内胆及制备方法，解决了塑料内胆的瓶口和金属件密封性差及内胆充装易局部过热的技术问题，并且能够很好的解决高压复合材料气瓶疲劳和轻量化问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种高压储氢瓶的内胆，包括瓶体和封头，所述瓶体一端连接封头，瓶体的另一端封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层和热塑性树脂层组合形成，所述封头由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头上，所述金属镀层的厚度不大于0.5mm。
本发明内胆采用金属纤维增强热塑性复合材料成型，能够使封头的刚性、模量、热膨胀系数等材料性能与金属阀门的材料性能更为接近，减少内胆瓶口和金属发明变形不一致的问题，从而解决瓶口的金属件存在密封缺陷。瓶体内采用金属镀层，提高了内胆抗渗透能力，同时解决塑料内胆导热性差、易产生静电等问题，同时，厚度不大于0.5mm，使得金属镀层很薄，避免对热塑性树脂层的弹性和韧性产生不利影响。
另一方面，一种上述高压储氢瓶的内胆的制备方法，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，将热塑性树脂制成瓶体，将封头与瓶体热熔焊接为一体，在瓶体内壁镀一层金属镀层；
或，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，然后将封头和热塑性树脂置入模腔内注塑成型，使得瓶体在成型过程中直接与封头结合，最后在瓶体内壁镀一层金属镀层。
第三方面，一种高压储氢瓶，内胆采用上述高压储氢瓶的内胆。
本发明的有益效果为：
1.本发明在瓶口位置采用金属纤维增强热塑性树脂复合材料成型，使瓶口的材料性能(如刚性、模量、热膨胀系数等)和金属阀门的性能更接近，在气瓶充装过程中，减少内胆瓶口和阀门变形不一致的问题，提高金属阀门和内胆之间的结合力，增加密封性能。
2.本发明瓶身主体采用热塑性材料，保留了热塑性材料质量轻，耐疲劳性好的优点。内壁采用金属镀层，提高了内胆抗渗透能力，同时解决塑料内胆导热性差，易产生静电等问题，由于金属层很薄，不会对热塑性材料的弹性和韧性产生不利影响。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的内胆结构示意图；
图2为本发明实施例1的封头成型示意图；
其中，1、封头，2、热塑性树脂层，3、金属镀层，4、焊接处，5、封头模具，6、热塑性树脂/金属纤维复合层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有内胆存在瓶口连接金属件时密封性差、充装时存在局部过热及产生大量静电等缺陷，本发明提出了一种高压储氢瓶的内胆及制备方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种高压储氢瓶的内胆，包括瓶体和封头，所述瓶体一端连接封头，瓶体的另一端封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层和热塑性树脂层组合形成，所述封头由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头上，所述金属镀层的厚度不大于0.5mm。
本发明内胆采用金属纤维增强热塑性复合材料成型，能够使封头的刚性、模量、热膨胀系数等材料性能与金属阀门的材料性能更为接近，减少内胆瓶口和金属发明变形不一致的问题，从而解决瓶口的金属件存在密封缺陷。瓶体内采用金属镀层，提高了内胆抗渗透能力，同时解决塑料内胆导热性差、易产生静电等问题，同时，厚度不大于0.5mm，使得金属镀层很薄，避免对热塑性树脂层的弹性和韧性产生不利影响。
该实施方式的一种或多种实施例中，金属镀层的厚度为0.2μm～500μm。
该实施方式的一种或多种实施例中，瓶体的另一端封闭的结构为弧面。
该实施方式的一种或多种实施例中，瓶体通过缩径结构与封头连接。
该系列实施例中，缩径结构的表面为弧面结构。
该实施方式的一种或多种实施例中，热塑性树脂层的厚度为0.1mm～10mm。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述高压储氢瓶的内胆的制备方法，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，将热塑性树脂制成瓶体，将封头与瓶体热熔焊接为一体，在瓶体内壁镀一层金属镀层；
或，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，然后将封头和热塑性树脂置入模腔内注塑成型，使得瓶体在成型过程中直接与封头结合，最后在瓶体内壁镀一层金属镀层。
本发明中所述的金属纤维增强热塑性复合材料是指以金属纤维作为增强纤维的纤维增强热塑性复合材料，可以为短纤维增强热塑性复合材料、长纤维增强热塑性复合材料、连续纤维增强热塑性复合材料等。为了保证封头的材料性能与金属阀门的材料性能最为接近，本发明中倾向选择连续纤维增强热塑性复合材料。该实施方式的一种或多种实施例中，封头的成型方式为缠绕机成型。
本发明中，在瓶体内壁镀一层金属镀层可以在热熔焊接之前进行，也可以在热熔焊接之后进行。
该实施方式的一种或多种实施例中，金属纤维为不锈钢纤维、铝纤维、黄铜纤维、铸铁纤维中的一种或几种。当金属纤维为铝纤维时，效果更好。
该实施方式的一种或多种实施例中，金属纤维的直径为0.5μm～500μm。
该实施方式的一种或多种实施例中，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚甲醛、聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮中的一种或几种。当热塑性树脂为高密度聚乙烯时，效果更好。
该实施方式的一种或多种实施例中，封头中热塑性树脂的质量分数为10％～90％。
该实施方式的一种或多种实施例中，瓶体的成型方式为滚塑、注塑、吹塑中的一种或几种混合方式。
该实施方式的一种或多种实施例中，热熔焊接温度为200℃～500℃，热熔压力为2MPa～10MPa。
该实施方式的一种或多种实施例中，瓶体内壁镀一层金属镀层的方式为化学镀、电镀、真空溅镀、阴极溅镀中的一种或几种组合。
本发明的第三种实施方式，提供了一种高压储氢瓶，内胆采用上述高压储氢瓶的内胆。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
高压储氢瓶的内胆，如图1所示，包括瓶体和封头1，瓶体一端通过表面为弧面的缩径结构连接封头1，瓶体的另一端通过弧面封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层3和热塑性树脂层2组合形成，封头1由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头1上，所述金属镀层的厚度为8～10μm。瓶体和封头1在焊接处4进行热熔焊接连接。
其制备方法为：
步骤1：如图2所示，利用缠绕机将直径为8～10μm，丝束为10K的铝纤维与熔融好的高密度聚乙烯缠绕在封头模具5上，其中高密度聚乙烯含量约为40％，然后通过二次熔融即在缠绕好的封头外表面加装设计好的模具进行二次加热加压，温度约250℃，压力为15MPa，使高密度聚乙烯重新熔融流动，将多余的高密度聚乙烯液由瓶口至衬肩挤出，使纤维的使封头树脂含量由瓶口位置的20％向两侧衬肩逐渐增加至80％，形成热塑性树脂/金属纤维复合层6，冷却成型后切割脱模，制备出复合封头。
步骤2：将高密度聚乙烯置入注塑模腔内，加热温度为230℃，注塑压力为100MPa，冷却后为气瓶筒体，厚度约2mm。
步骤3：将封头和热塑性瓶体在模具内热熔焊接成型，焊接温度为200℃，热熔压力为3MPa。
步骤:4：最后将内胆置放于真空室内，不镀层部位用塑料膜包扎遮挡。当真空度达到一定(1.3×10-2～1.3×10-3Pa)时，将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，然后再把纯度为99.9％的铝丝连续送至蒸发舟上。设置工件旋转速度为30r/min，开通冷却源，使铝丝在蒸发舟上连续地熔化、蒸发，从而在旋转的内胆内表面冷却后形成一层光亮的铝层即为镀铝薄膜。镀层厚度为8～10μm。
实施例2
高压储氢瓶的内胆，包括瓶体和封头，瓶体一端通过表面为弧面的缩径结构连接封头，瓶体的另一端通过弧面封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层和热塑性树脂层组合形成，封头由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头上，所述金属镀层的厚度为50～55μm。
其制备方法为：
步骤1：利用缠绕机将直径为15-20μm，丝束为12K的铝纤维与熔融好的聚苯硫醚缠绕在封头模具上，瓶口位置采用环向缠绕，缠绕纤维含胶量为10％左右，缠绕张力为100N，加热温度为350℃；两侧衬肩采用螺旋缠绕，缠绕纤维含胶量为60％左右，缠绕张力为40N，冷却成型后切割脱模，制备出复合封头。
步骤2：将复合封头和聚苯硫醚置入注塑模腔内，加热温度为340℃，注塑压力为140MPa，冷却后为复合内胆。
步骤3：最后将内胆置放于真空室内，不镀层部位用塑料膜包扎遮挡。当真空度达到一定(1.3×10-2Pa～1.3×10-3Pa)时，将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，然后再把纯度为99.9％的铝丝连续送至蒸发舟上。设置工件旋转速度为30r/min，开通冷却源，使铝丝在蒸发舟上连续地熔化、蒸发，从而在旋转的内胆内表面冷却后形成一层光亮的铝层即为镀铝薄膜。镀层厚度为50～55μm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压储氢瓶的内胆，其特征是，包括瓶体和封头，所述瓶体一端连接封头，瓶体的另一端封闭，瓶体由内至外依次由金属镀层和热塑性树脂层组合形成，所述封头由金属纤维增强热塑性复合材料成型，内胆瓶口设置在封头上，所述金属镀层的厚度不大于0.5mm。
2.如权利要求1所述的高压储氢瓶的内胆，其特征是，金属镀层的厚度为0.2μm～500μm。
3.如权利要求1所述的高压储氢瓶的内胆，其特征是，瓶体的另一端封闭的结构为弧面。
4.如权利要求1所述的高压储氢瓶的内胆，其特征是，瓶体通过缩径结构与封头连接；
优选的，缩径结构的表面为弧面结构。
5.如权利要求1所述的高压储氢瓶的内胆，其特征是，热塑性树脂层的厚度为。
6.一种权利要求1～5任一所述的高压储氢瓶的内胆的制备方法，其特征是，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，将热塑性树脂制成瓶体，将封头与瓶体热熔焊接为一体，在瓶体内壁镀一层金属镀层；
或，采用封头成型模具将金属纤维和热塑性树脂制成封头，然后将封头和热塑性树脂置入模腔内注塑成型，使得瓶体在成型过程中直接与封头结合，最后在瓶体内壁镀一层金属镀层。
7.如权利要求6所述的高压储氢瓶的内胆的制备方法，其特征是，金属纤维为不锈钢纤维、铝纤维、黄铜纤维、铸铁纤维中的一种或几种；
或，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚甲醛、聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮中的一种或几种。
8.如权利要求6所述的高压储氢瓶的内胆的制备方法，其特征是，金属纤维的直径为0.5μm～500μm；
或，封头中热塑性树脂的质量分数为10％～90％。
9.如权利要求6所述的高压储氢瓶的内胆的制备方法，其特征是，热熔焊接温度为200℃～500℃，热熔压力为2MPa～10MPa。
10.一种高压储氢瓶，其特征是，内胆采用权利要求1～5任一所述的高压储氢瓶的内胆。
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