CN114935105A - 一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，包括金属瓶口、塑料内胆和碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；金属瓶口与塑料内胆相连接，塑料内胆外表面设置碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；所述的碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层由碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝在塑料内胆外表面原位成型得到。本发明提供的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶中塑料内胆与碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层之间融合性好，重量轻，疲劳寿命长，产品报废后易于回收处理；且该贮氢瓶中的碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层采用原位成型技术，边加热边自动铺覆或自动缠绕而成，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于高压气瓶的技术领域，具体涉及一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶。
背景技术
碳纤维缠绕复合气瓶比常用的钢瓶或铝合金无缝气瓶具有更优良的性能，如质轻、强度高、耐腐蚀性好、安全性高等。如公开号为CN103499013A的中国专利文献公开了一种碳纤维复合材料高压气瓶，该高压气瓶包括金属内衬，以及依次设在金属内衬外表面的缠绕碳纤维复合层和外保护层；其中，缠绕碳纤维复合层的制备过程为：将环氧树脂和固化剂混合得到胶状溶液，并在该胶状溶液中加入短切碳纤维得到环氧树脂浸渍液，然后将连续碳纤维经过环氧树脂浸渍液浸渍后，在金属内衬外表面进行缠绕，并经过固化去除多余树脂得到缠绕碳纤维复合层；公开号为CN111396740A的中国专利文献公开了一种增强树脂和缠绕碳纤维复合储气瓶，储气瓶外包裹石墨烯环氧树脂层或碳纳米管环氧树脂层或短切纤维环氧树脂层和缠绕碳纤维，环氧树脂进入缠绕碳纤维孔隙内，形成交替包裹储气瓶的环氧树脂层和缠绕碳纤维增强层；该发明中储气瓶包括：金属储气瓶，塑料储气瓶，内塑料外金属储气瓶等；公开号为CN103383058A的中国专利文献公开了一种短切碳纤维掺杂的加强筋型高压气瓶，包括金属内衬，以及依次设在金属内衬外表面的缠绕碳纤维复合层和外保护层，金属内衬的筒体段外表面机加工有螺旋状或环状的加强筋；该缠绕碳纤维复合层采用的连续碳纤维经过环氧树脂浸渍液浸渍时，该环氧树脂浸渍液中包含有短切碳纤维。上述现有技术中提供的气瓶内胆与缠绕复合层间易发生分层，同时，环氧树脂为热固性树脂，固化后变成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物，产品报废后回收困难。
塑料内胆碳纤维增强复合材料贮氢瓶是一种轻便的储氢设备，主要用于为氢能源汽车提供氢气。该类贮氢瓶的外复合材料层通常由碳纤维在线浸渍环氧树脂胶液，在塑料内胆表面经缠绕后固化而成；因复合材料层所用树脂基体为热固性环氧树脂，与内胆热塑性塑料层的结合处存在一个薄弱界面，导致该类贮氢瓶在高压疲劳试验或工作中，塑料内胆与缠绕复合层间易发生分层失效，使用寿命降低，安全风险提高；另外，该类气瓶先缠绕，后固化，存在离位固化，生产效率偏低，且产品报废后回收困难。因此，制备一种质轻、强度高、成型工艺简便、连接装配性能好的塑料内胆碳纤维增强复合材料贮氢瓶具有较高的实际推广价值。
发明内容
为了解决现有技术中塑料内胆碳纤维增强复合材料贮氢瓶层间存在薄弱界面，以及生产工艺中离位固化、生产效率低的问题，本发明提供了一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，该贮氢瓶质轻、层间结合力强、生产效率高、疲劳寿命长。
具体采用的技术方案如下：
一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，包括金属瓶口、塑料内胆和碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；金属瓶口与塑料内胆相连接，塑料内胆外表面设置碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；
所述的碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层由碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝在塑料内胆外表面原位成型得到。
本发明设计了一种层间结合力强的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其中的碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层较现有的环氧树脂层与塑料内胆之间的融合性更好，且利用原位成型技术制得，避免了先缠绕，后固化的工艺导致的离位固化问题。
优选的，所述的金属瓶口与塑料内胆一体成型，成型工艺为注塑工艺、滚塑工艺或吹塑工艺。一体化成型工艺可以保证塑料内胆与金属瓶口结合良好，以避免二次连接装配不良，导致泄漏。
塑料内胆材质为尼龙6、高密度聚乙烯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯或聚甲酫。
优选的，塑料内胆材质为尼龙6，用以保证材料的韧性、耐高低温老化性、耐低温冲击性能及充放氢疲劳性能。
进一步优选的，所述的碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝中，热塑性树脂含量为30％-40％。当热塑性树脂在相应的含量范围下，贮氢瓶的强度、疲劳寿命等性能更好。
所述的碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝是通过碳纤维带或碳纤维丝浸渍热塑性树脂得到，其中，所述的热塑性树脂与塑料内胆材质相同，或者也可选用其他与塑料内胆材质相似的热塑性树脂。
具体的，当塑料内胆材质为尼龙6时，热塑性树脂可选用尼龙6或与尼龙6相似相溶的热塑性树脂；当塑料内胆材质为高密度聚乙烯时，热塑性树脂可选用高密度聚乙烯或与高密度聚乙烯相似相溶的热塑性树脂；当塑料内胆材质为聚苯硫醚时，热塑性树脂可选用聚苯硫醚或与聚苯硫醚相似相溶的热塑性树脂；当塑料内胆材质为聚对苯二甲酸丁二酯时，热塑性树脂可选用聚对苯二甲酸丁二酯或与聚对苯二甲酸丁二酯相似相溶的热塑性树脂；当塑料内胆材质为聚甲酫时，热塑性树脂可选用聚甲酫或与聚甲酫相似相溶的热塑性树脂。
所述的原位成型工艺为：将碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝边加热边自动铺覆或自动缠绕于塑料内胆外表面。
优选的，利用激光、红外或火焰加热源对碳纤维增强热塑性树脂预浸带或预浸丝进行加热。
优选的，加热温度为150-400℃。
本发明提供的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶可用于存储70MPa及以上高压气态氢气。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶中塑料内胆与碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层之间融合性好，重量轻，疲劳寿命长，产品报废后易于回收处理。
(2)本发明采用原位成型技术，边加热边自动铺覆或自动缠绕制备碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层，生产效率高。
附图说明
图1为实施例1-2中塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶的结构示意图。其中，塑料内胆1、金属瓶口2、碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层3。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，包括塑料内胆1、金属瓶口2和碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层3，金属瓶口与塑料内胆相连接，塑料内胆外表面设置碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层。
实施例1
本实施例中，塑料内胆材质为尼龙6，塑料内胆与金属瓶口采用注塑工艺一体成型，以保证塑料内胆与金属瓶口结合良好，以避免二次连接装配不良，导致泄漏。
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层采用T700碳纤维增强尼龙6树脂的预浸带(宽为(6.35±0.01)mm，厚为(0.16±0.01)mm，热塑性树脂含量为(34±3)％，由碳纤维干丝浸渍于热塑性树脂尼龙6后制得)自动铺放原位成型而成。其中，自动铺放原位成型采用激光加热，边加热(加热温度370-400℃)边在尼龙6塑料内胆表面铺覆T700碳纤维增强尼龙6树脂的预浸带，具体铺覆方案由仿真优化设计获得。
实施例2
本实施例中，塑料内胆材质为聚甲酫(POM)，塑料内胆与金属瓶口采用注塑工艺一体成型。
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层采用T700碳纤维增强POM树脂的预浸带(宽为(6.35±0.01)mm，厚为(0.16±0.01)mm，热塑性树脂含量为(34±3)％，将碳纤维干丝浸渍于热塑性树脂(POM)制得)自动铺放原位成型而成。其中，自动铺放原位成型采用激光加热，边加热(加热温度170-200℃)边在聚甲酫塑料内胆表面铺覆T700碳纤维增强聚甲酫(POM)树脂的预浸带，具体铺覆方案由仿真优化设计获得。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，包括金属瓶口、塑料内胆和碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；金属瓶口与塑料内胆相连接，塑料内胆外表面设置碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层；
所述的碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层由碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝在塑料内胆外表面原位成型得到。
2.根据权利要求1所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，所述的金属瓶口与塑料内胆一体成型，成型工艺为注塑工艺、滚塑工艺或吹塑工艺。
3.根据权利要求1所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，塑料内胆材质为尼龙6、高密度聚乙烯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯或聚甲酫。
4.根据权利要求1所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，所述的碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝中，热塑性树脂含量为30％-40％。
5.根据权利要求4所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，所述的热塑性树脂与塑料内胆材质相同，选自尼龙6、高密度聚乙烯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯或聚甲酫。
6.根据权利要求1所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，所述的原位成型工艺为：将碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝边加热边自动铺覆或自动缠绕于塑料内胆外表面。
7.根据权利要求6所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，利用激光、红外或火焰加热源对碳纤维增强热塑性树脂预浸带或碳纤维增强热塑性树脂预浸丝进行加热。
8.根据权利要求6所述的塑料内胆碳纤维增强热塑性树脂基复合材料贮氢瓶，其特征在于，加热温度为150-400℃。
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