CN116006899A - 一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，属于储氢气瓶技术领域。该储氢气瓶，包括：塑料内胆、瓶嘴接头、固定套和缠绕层，塑料内胆的顶部开设有瓶口，塑料内胆的肩部封头向内凹陷形成缓冲槽；瓶嘴接头的底部形状与缓冲槽形状相匹配，瓶嘴接头中心开设有密封口，密封口的下端卡合在瓶口外侧，并通过第一密封圈密封，密封口的上端连接有高压气瓶阀门；固定套设置在瓶口内侧，用于支撑瓶口，瓶嘴接头和固定套为金属材质；缠绕层通过纤维缠绕在塑料内胆和瓶嘴接头的外周面上。该储氢气瓶的设置能够提高储氢气瓶肩部的剪切强度，降低塑料内胆的变形性，且提高塑料内胆与瓶嘴接头的连接性和密封性，防止氢气泄露。

Description

一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶

技术领域

本申请涉及一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，属于储氢气瓶技术领域。

背景技术

目前的储氢气瓶主要分为四种类型：全金属气瓶、金属内胆纤维环向缠绕气瓶、金属内胆纤维全缠绕气瓶和塑料内胆纤维全缠绕气瓶。目前塑料内胆纤维全缠绕气瓶由于重量轻、储氢密度高等优点已经逐渐成为储氢气瓶的研究重点。

塑料内胆纤维全缠绕气瓶是由塑料内胆、金属瓶嘴接头和纤维缠绕层组成的，由于金属瓶嘴接头和塑料两种材料的模量、弹性应变和热膨胀率差异较大的特点，当瓶嘴受往复压力冲击时，塑料内胆发生明显变形导致密封结构失效，影响产品密封性，因此易出现氢气泄漏的问题，存在极大的安全隐患。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，固定套能够对瓶口进行支撑，减小瓶口的变形，塑料内胆的缓冲槽与瓶嘴接头的配合设置能够提高储氢气瓶肩部的剪切强度，降低塑料内胆的变形性，且提高塑料内胆与金属瓶嘴接头的连接性，从而在储氢气瓶受往复压力冲击时，仍能维持较好的密封性，防止氢气泄露。

本申请提供了一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，包括：

塑料内胆，所述塑料内胆内部中空设置形成容纳腔，所述塑料内胆的顶部开设有瓶口，所述瓶口与所述容纳腔相连通，所述塑料内胆的肩部封头向内凹陷形成缓冲槽；

瓶嘴接头，所述瓶嘴接头的底部形状与所述缓冲槽形状相匹配，以使得所述瓶嘴接头嵌合在所述缓冲槽内，所述瓶嘴接头的上型面与所述塑料内胆的肩部封头圆滑过渡，所述瓶嘴接头中心开设有密封口，所述密封口的下端卡合在所述瓶口外侧，并通过第一密封圈密封，所述密封口的上端连接有高压气瓶阀门；

固定套，所述固定套设置在所述瓶口内侧，用于支撑所述瓶口，所述瓶嘴接头和所述固定套为金属材质；

缠绕层，纤维缠绕在所述塑料内胆和所述瓶嘴接头的外周面上形成所述缠绕层。

可选地，所述缓冲槽周向设置有至少两个卡接台面，所述瓶嘴接头的周向设置有与所述卡接台面相配合的卡接部，所述瓶嘴接头和所述缓冲槽通过所述卡接台面和所述卡接部卡合；或

所述缓冲槽顶部设置有凸起，所述瓶嘴接头底部设置有凹槽，所述瓶嘴接头和所述缓冲槽通过所述凸起和所述凹槽卡合。

可选地，所述瓶嘴接头包括连接件、密封压块和锁紧螺母；

所述连接件的底部形状与所述缓冲槽形状相匹配，所述连接件中心开设有连接口，所述密封压块与所述连接口通过螺纹连接，所述密封压块中心开设有密封口，所述锁紧螺母设置在所述连接件的顶部，并与所述密封压块的外周通过螺纹连接；

优选的，所述瓶口、密封口和所述连接口共中心轴线设置。

可选地，所述连接口的底部设置有凹槽，所述凹槽用于放置第二密封圈，所述密封压块的底部与所述第二密封圈抵接。

可选地，所述塑料内胆包括内层和外层，所述外层设置于所述内层的外侧；

按重量份数计，所述内层包括80-100份PA1 1、20-30份二异氰酸酯、3-5份多异氰酸酯、10-20份EVOH、5-10份云母鳞片和2-5份增塑剂；

按重量份数计，所述外层包括80-100份PA1 1、30-50份含有两个以上羟基的化合物或含有两个以上氨基的化合物、10-20份环氧树脂、3-5份酸酐类固化剂、2-5份增塑剂和1-3份催化剂。

内层和外层材料中均以PA11为基材，能够保证塑料内胆的机械强度，内层中添加的EVOH能够提高内层的抗氢气渗透性，云母鳞片能够延长气体的渗透路径，从而与EVOH相配合共同提高塑料内胆的抗氢气渗透能力；外层中添加的环氧树脂能够在加热状态下固化，提高外层的机械强度、耐腐蚀性和致密性；内层中的二异氰酸酯和多异氰酸酯和外层中含有两个以上羟基的化合物或含有两个以上氨基的化合物在催化剂的存在下能够发生反应进而形成交联的聚合物网络，增加内层和外层之间的结合力和韧性，防止塑料内胆脱层以及提高塑料内胆的抗变形性，缩小塑料内胆与瓶嘴封头在压力冲击下的形变差异，进一步提高储氢气瓶的密封性。

可选地，催化剂选自三乙胺、三乙醇胺、DMEA、N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、二丁基锡二月桂酸酯中的至少一种。

可选地，所述内层的厚度为2-3mm，所述外层的厚度为2-3mm。上述厚度既能够使得内层和外层之间分别发挥作用，又能够增强内层和外层之间的结合强度，双重防止氢气的泄露与氢气瓶的变形。

可选地，所述云母鳞片的厚度为50-1000nm，片径为20-200μm。云母鳞片为片层结构，上述厚度及片径的云母鳞片能够在内层中均匀分散，有效对氢气进行阻挡，并提高内层与外层之间的结合力。

优选的，云母鳞片由第一部分和第二部分组成，其中第一部分的粒径为50-200nm，片径为20-25μm，占比为20％，第二部分的粒径为500-1000nm，片径为150-200μm，占比为80％。此占比为第一部分或第二部分占总体云母鳞片的重量百分比，第二部分的云母鳞片片层结构大，能够有效对氢气进行阻挡，并延长氢气的渗透路径，第一部分的云母鳞片片层结构小，偏向于颗粒状，能够填充在第二部分的间隙中，从而使得云母鳞片在内层中形成致密的多层保护结构，从而有效降低氢气的渗透量。

可选地，所述云母鳞片为经过正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性后的云母鳞片，正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性云母鳞片的制备步骤为：

将云母鳞片洗净、烘干，置于乙醇溶液中在50-60℃下活化至少3h，之后在乙醇溶液中加入所述正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，在50-60℃下改性2-3h，过滤烘干即得，所述正硅酸丁酯占所述云母鳞片重量的2％-6％，所述邻苯二甲酸二丁酯占所述云母鳞片重量的1％-2.5％。

上述改性处理能够提高云母鳞片在内层中的分散性，提高其与环氧树脂、EVOH、二异氰酸酯、多异氰酸酯和增塑剂的粘结性，从而使得云母鳞片能够在内层中形成多层保护结构，提高塑料内胆自身的密封性；而且通过正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯两种物质的改性，促进云母鳞片与内层中其他物质形成氢键，从而提高内层中氢键的数量，一是能够提高内层的机械强度，二是能够增加内层中物质的抗变形能力，即使在反复的压力冲击下也能够维持原有形状，从而提高塑料内胆与瓶嘴接头之间的密封性，防止氢气在瓶口处泄露。

在乙醇中进行活化，能够增加正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯的附着点位，提高云母鳞片上正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯的数量。

可选地，在所述缠绕步骤之前，在所述塑料内胆和瓶嘴接头的外周面涂覆浆料，以形成连接层，所述缠绕层缠绕在所述连接层的外周面上，按重量份数计，所述浆料包括20-30份二异氰酸酯、1-2份多异氰酸酯、0.5-1份催化剂、5-10份ZIF-8、70-80份环氧树脂和2-5份咪唑类固化剂。

可选地，连接层的厚度为0.5-0.6mm。

连接层中含有的二异氰酸酯和多异氰酸酯能够与外层中的含有两个以上羟基的化合物或含有两个以上氨基的化合物发生反应，从而增强连接层与外层之间的结合力，提高缠绕层与外层之间的粘结性；并且上述物质能够在瓶嘴接头的外周面上固化成型，提高瓶嘴接头与缠绕层的粘结强度，从而有效避免储氢气瓶的分层，并提高储氢气瓶的整体性，将瓶嘴接头和塑料内胆有效结合起来，提高储氢气瓶的抗变形性。

ZIF-8为多孔材料，环氧树脂、二异氰酸酯、多异氰酸酯形成的交联网络能够穿插在微孔之间，提高连接层的连接性和致密性，并且还能起到交联点的作用，增加连接层对缠绕层的粘结性，使得缠绕层能够紧密缠绕在塑料内胆与瓶嘴接头的外周面上，提高储氢气瓶各个层之间的粘结强度，使得储氢气瓶整体的密封性、抗变形性及机械强度均得到提高。上述ZIF-8起到交联点的作用是指，不仅是聚合物网络能够在ZIF-8的微孔中穿过，而且很多条聚合物分子链的端点在ZIF-8上进行吸附，此时ZIF-8相当于一个交联的中心点，能够连接多条聚合物分子链，从而在微观上形成一个交联的聚合物网络。

可选地，所述酸酐类固化剂为3,3'-二硫代二丙酸酐；

所述含有两个以上羟基的化合物选自1,4-丁二醇、甘油、二甘醇、4,4'-二羟基二苯硫醚、3,3'-二羟基二苯二硫醚中的至少一种；

所述含有两个以上氨基的化合物选自乙二胺、1,2-丙二胺、1,6-己二胺、对苯二胺、2,3-二氨基吡啶、3,3ˊ-亚氨基双-1-丙醇、4,4’-二氨基二苯二硫醚、3,3'二氨基二苯二硫醚中的至少一种。

采用的3,3'-二硫代二丙酸酐作为酸酐类固化剂能够在内层中引入双硫键，从而使得塑料内胆能够在产生微裂纹时进行自我修复，延长塑料内胆的使用寿命，含有两个以上羟基的化合物和含有两个以上氨基的化合物中也可以含有双硫键，能够进一步提高塑料内胆的自我修复效果，加上内层中含有的云母鳞片与其他物质形成的氢键，塑料内胆在受到宽度不大于50μm的划痕时，能够在加热至120℃下处理8h，能够修复80％以上。将初始的划痕宽度设定为W0,修复后的划痕宽度为W1，该修复百分比的计算,公式为：(W0-W1)/W0×100％。

可选地，所述内层和外层通过双层滚塑工艺制成，以使得所述外层包覆于所述内层外侧。外层先滚塑成型，内层再在外层中进行滚塑，内层的滚塑中能够使得外层和内层中初步形成聚氨酯的交联网络，提高内层和外层的连接强度，后期缠绕层缠绕完成之后进行最终的固化，固化过程中内层和外层形成最终的聚氨酯交联网络，使得内层和外层紧密结合，并且在连接层的作用下，内层、外层、连接层和缠绕层形成一个整体，从而避免储氢气瓶的脱层。

可选地，所述纤维为在浸渍料中进行浸渍后的碳纤维，按重量份数计，所述浸渍料包括50-60份水、20-30份乙醇、40-60份水性环氧树脂和5-10份多巴胺，所述浆料的pH为8-9，且碳纤维的浸胶量为17 20wt％。

环氧树脂对碳纤维进行浸渍，能够增强缠绕层的机械强度，并对缠绕层进行化学保护，提高储氢气瓶的防腐性，多巴胺能够分散在碳纤维上，由于多巴胺含有氢键和氨基，则能够与连接层中的二异氰酸酯和多异氰酸酯进行反应形成聚氨酯，提高缠绕层和连接层的结合能力及致密度，进一步防止氢气的渗透和储氢气瓶的脱层。

浸渍后的碳纤维含有胶液，若是直接缠绕在塑料内胆外侧，一是胶液容易滴漏，造成最终缠绕层中浆料的不均匀和原料的浪费，将浸渍后的碳纤维包覆在连接层上，通过ZIF-8的多孔结构能够吸附胶液，从而使得浆料在缠绕层中分布均匀，并且减少原料的浪费，提高操作环境的整洁度，还能够使得浆料中的物质与连接层的物质进行反应，ZIF-8也能够在连接层和缠绕层之间起到交联点的作用，进一步提高连接层与缠绕层之间的结合强度。

可选地，缠绕层的厚度为25-30mm。

可选地，所述浸渍料中还包括5-10份含二硫键的胺类扩链剂。

优选的，所述含二硫键的胺类扩链剂选自4,4’-二氨基二苯二硫醚、3,3'二氨基二苯二硫醚、双(2-氨基苯基)二硫、4,4'-双(2-氨基-6-甲基嘧啶基)二硫醚中的任意一种或多种。

上述含二硫键的胺类扩链剂与二异氰酸酯和多异氰酸酯反应液生成聚氨酯网络，能够在缠绕层和连接层之间引入双硫键，使得缠绕层和连接层具有自我修复的能力，进一步提高储氢气瓶的使用寿命，并且该含二硫键的胺类扩链剂和多巴胺的合理配比，使得聚氨酯网络的聚合度适中，增加分子链的运动能力，从而在受到外力的作用下，能够进行缓冲，减少储氢气瓶的形变。

可选地，纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶的制备方法为：

制作所述塑料内胆：按照外层的原料进行配比，并通过滚塑工艺制备所述外层，之后按照内层的原料进行配比，再向外层中加入内层的原料滚塑形成所述内层，形成塑料内胆；

装配：将所述固定套固定在所述瓶口内侧，之后将所述瓶嘴接头嵌合在所述缓冲槽内；

浆料涂覆：将所述浆料涂覆在所述塑料内胆和瓶嘴接头的外周面，加热固化后形成连接层：

缠绕：将纤维缠绕在所述连接层的外周面上，加热固化后形成所述缠绕层，即得所述纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶。

塑料内胆的双层滚塑形成工艺中中，内层和外层之间已经形成了初步的化学连接，之后浆料涂覆的固化中，内层和外层之间化学连接进一步加强，并且外层也与连接层形成化学连接，瓶嘴接头也通过连接层实现与塑料内胆的紧密结合，最后在缠绕层的加热固化中，缠绕层与连接层形成化学连接，此时内层、外层、连接层及缠绕层之间均紧密连接，使得储氢气瓶形成一个整体。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，能够减少储氢气瓶自身的重量，并提高储氢气瓶的防氢气渗透性和疲劳性能，且塑料内胆和瓶嘴接头的形状能够提高塑料内胆与瓶嘴接头的连接性，从而提高储氢气瓶的密封性，防止氢气泄露。

2.本申请所提供的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，连接件、密封压块和锁紧螺母的设置能够便于更换第一密封圈和密封压块的更换，提高零部件的更换效率，从而提高储氢气瓶的密封效果和储氢气瓶的使用寿命。

3.本申请所提供的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，塑料内胆分为内层和外层，能够提高塑料内胆的抗氢气渗透性、机械强度和抗变形性，提高储氢气瓶的密封性，并且防止塑料内胆的脱层。

4.本申请所提供的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，连接层和缠绕层的设置能够增加储氢气瓶的整体性，增强各个层之间的连接强度，进一步提高储氢气瓶的密封性和抗变形性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例2涉及的储氢气瓶的一种结构示意图；

图2为本申请实施例2涉及的储氢气瓶的另一种结构示意图；

图3为本申请实施例2涉及的储氢气瓶的再一种结构示意图；

部件和附图标记列表：

10、塑料内胆；11、容纳腔；12、瓶口；13、缓冲槽；14、卡接台面；15、凸起；20、瓶嘴接头；21、连接件；22、密封压块；23、锁紧螺母；24、密封口；25、凹槽；30、固定套；40、第一密封圈；41、第二密封圈。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

本实施例涉及一种塑料内胆的加工生产，塑料内胆包括内层和外层，按重量份数计，内层包括80-100份PA1 1、20-30份二异氰酸酯、3-5份多异氰酸酯、10-20份EVOH、5-10份云母鳞片和2-5份增塑剂；外层包括80-100份PA11、30-50份含有两个以上羟基的化合物或含有两个以上氨基的化合物、10-20份环氧树脂、3-5份酸酐类固化剂、2-5份增塑剂和1-3份催化剂。采用现有技术中的双层滚塑工艺形成外层和内层，以使得外层包覆于内层外侧，即得塑料内胆。

根据上述加工生产方法，制备塑料内胆1#-9#和对比塑料内胆D1#-D4#，具体如下：

塑料内胆1#

将90份PA11、40份4,4'-二羟基二苯硫醚、15份环氧树脂、4份3,3'-二硫代二丙酸酐、4份增塑剂和2份二丁基锡二月桂酸酯混合，在230℃下通过模具滚塑成型得到厚度为3mm的外层，之后向外层内加入90份PA1 1、25份二异氰酸酯、3份多异氰酸酯、15份EVOH、8份云母鳞片和4份增塑剂混合，其中云母鳞片的厚度为500nm，片径为100μm，在230℃下滚塑成型得到厚度为2mm的内层，冷却后即得塑料内胆1#。

塑料内胆2#

将80份PA11、50份4,4’-二氨基二苯二硫醚、10份环氧树脂、3份3,3'-二硫代二丙酸酐、5份增塑剂和1份二丁基锡二月桂酸酯混合，在280℃下通过模具滚塑成型得到厚度为2.5mm的外层，之后向外层内加入80份PA1 1、30份二异氰酸酯、5份多异氰酸酯、10份EVOH、10份云母鳞片和2份增塑剂混合，其中云母鳞片的厚度为50nm，片径为20μm，在280℃下滚塑成型得到厚度为2.5mm的内层，冷却后即得塑料内胆2#。

塑料内胆3#

将100份PA11、30份乙二胺、20份环氧树脂、5份3,3'-二硫代二丙酸酐、2份增塑剂和3份二丁基锡二月桂酸酯混合，在280℃下通过模具滚塑成型得到厚度为2mm的外层，之后向外层内加入100份PA1 1、20份二异氰酸酯、3份多异氰酸酯、20份EVOH、5份云母鳞片和5份增塑剂混合，其中云母鳞片的厚度为1000nm，片径为200μm，在280℃下滚塑成型得到厚度为3mm的内层，冷却后即得塑料内胆3#。

塑料内胆4#

本塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：云母鳞片为经过正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性后的云母鳞片，正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性云母鳞片的制备步骤为：

将云母鳞片洗净、烘干，置于乙醇溶液中在60℃下活化3h，之后在乙醇溶液中加入正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，在60℃下改性2h，过滤烘干即得，正硅酸丁酯占云母鳞片重量的2％，邻苯二甲酸二丁酯占云母鳞片重量的1％,其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得塑料内胆4#。

塑料内胆5#

本塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：云母鳞片为经过正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性后的云母鳞片，正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性云母鳞片的制备步骤为：

将云母鳞片洗净、烘干，置于乙醇溶液中在50℃下活化5h，之后在乙醇溶液中加入正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，在50℃下改性3h，过滤烘干即得，正硅酸丁酯占云母鳞片重量的6％，邻苯二甲酸二丁酯占云母鳞片重量的2.5％,其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得塑料内胆5#。

塑料内胆6#

本塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：云母鳞片为经过双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物改性后的云母鳞片，双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物改性云母鳞片的制备步骤为：

将云母鳞片洗净、烘干，置于乙醇溶液中在50℃下活化5h，之后在乙醇溶液中加入双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物，在50℃下改性3h，过滤烘干即得，双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物占云母鳞片重量的8.5％,其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得塑料内胆6#。

塑料内胆7#

本塑料内胆与塑料内胆5#的区别在于：云母鳞片由第一部分和第二部分组成，其中第一部分的粒径为50nm，片径为20μm，占比为20％，第二部分的粒径为1000nm，片径为150μm，占比为80％，其余成分及制备方法与塑料内胆5#相同，即得塑料内胆7#。

塑料内胆8#

本塑料内胆与塑料内胆5#的区别在于：云母鳞片由第一部分和第二部分组成，其中第一部分的粒径为200nm，片径为25μm，占比为20％，第二部分的粒径为500nm，片径为200μm，占比为80％，其余成分及制备方法与塑料内胆5#相同，即得塑料内胆8#。

塑料内胆9#

本塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：内层的厚度为1.5mm，外层的厚度为3.5mm，，其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得塑料内胆9#。

对比塑料内胆D1#

本对比塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：内层中无二异氰酸酯和多异氰酸酯，其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得对比塑料内胆D1#。

对比塑料内胆D2#

本对比塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：内层中无EVOH，其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得对比塑料内胆D2#。

对比塑料内胆D3#

本对比塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：内层中无云母鳞片，其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得对比塑料内胆D3#。

对比塑料内胆D4#

本对比塑料内胆与塑料内胆1#的区别在于：外层中无4,4'-二羟基二苯硫醚和二丁基锡二月桂酸酯，其余成分及制备方法与塑料内胆1#相同，即得对比塑料内胆D4#。

对上述制备的塑料内胆1#-9#和对比塑料内胆D1#-D4#进行氢气渗透系数、拉伸强度、断裂伸长率、室温下缺口冲击强度、-40℃下缺口冲击强度测试，其中氢气渗透系数按照GB/T 1038-2000进行测试。

具体测试结果见下表1：

表1

本实施例中的塑料内胆3#、D1#、D4#无自我修复能力，其余塑料内胆在受到宽度不大于50μm的划痕时，能够在加热至120℃下处理8h，修复前划痕宽度记为W₀，修复后划痕宽度记为W₁，修复率的计算公式为[(W₀-W₁)/W₀]×100％，证明其能够修复80％以上。

实施例2

参考图1-3，示出了储氢气瓶的瓶口结构，储氢气瓶的瓶身结构可采用现有技术中的形状，本实施例涉及一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，该储氢气瓶包括：塑料内胆10，塑料内胆10内部中空设置形成容纳腔11，塑料内胆10的顶部开设有瓶口12，瓶口12与容纳腔11相连通，塑料内胆10的肩部封头向内凹陷形成缓冲槽13；瓶嘴接头20，瓶嘴接头20的底部形状与缓冲槽13形状相匹配，以使得瓶嘴接头20嵌合在缓冲槽13内，瓶嘴接头20的上型面与塑料内胆10的肩部封头圆滑过渡，瓶嘴接头20中心开设有密封口24，密封口24的下端卡合在瓶口12外侧，并通过第一密封圈40密封，密封口24的上端连接有高压气瓶阀门；固定套30，固定套30设置在瓶口12内侧，用于支撑瓶口12，瓶嘴接头20和固定套30为金属材质；缠绕层，纤维缠绕在塑料内胆10和瓶嘴接头20的外周面上形成缠绕层。

该储氢气瓶中采用塑料内胆10，能够减少储氢气瓶自身的重量，并提高储氢气瓶的防氢气渗透性和抗变形性，采用的固定套30能够对瓶口12进行支撑，从而减小瓶口12的变形，塑料内胆10的缓冲槽13与瓶嘴接头20的配合设置能够提高储氢气瓶肩部的剪切强度，降低塑料内胆10的变形性，且提高塑料内胆10与瓶嘴接头的连接性，从而在储氢气瓶受往复压力冲击时，仍能维持较好的密封性，防止氢气泄露。

由于瓶嘴接头20的底部形状与缓冲槽13的形状相匹配，因此瓶嘴接头20的底部相比于现有的瓶嘴接头20厚度进行了加厚设计，该金属材质制成的瓶嘴接头20能够满足储氢气瓶肩部剪切强度的需求，提高储氢气瓶的力学强度；并且瓶嘴接头20上型面与塑料内胆10的肩部封头圆滑过渡，以满足缠绕层圆滑贴覆于瓶嘴接头20和塑料内胆10上，避免出现纤维架空，增强缠绕层与塑料内胆10和瓶嘴接头20之间的连接性。

密封口24的下端卡合在瓶口12外侧，并通过第一密封圈40密封，在向容纳腔11充入氢气的过程中，塑料内胆10受氢气压力的作用，不可避免向外发生变形，因此该第一密封圈40的设计能够保证塑料内胆10与瓶嘴接头20的密封性，其密封效果随着内压的增加而增强；固定套30采用金属材质，能够保证变形强度，提高储氢气瓶的抗变形能力。

作为一种实施方式，缓冲槽13周向设置有至少两个卡接台面14，瓶嘴接头20的周向设置有与卡接台面14相配合的卡接部，瓶嘴接头20和缓冲槽13通过卡接台面14和卡接部卡合；或

缓冲槽13顶部设置有凸起15，瓶嘴接头20底部设置有凹槽25，瓶嘴接头20和缓冲槽13通过凸起15和凹槽25卡合。

上述设置一是能够防止瓶嘴接头20和塑料内胆10之间发生转动，从而便于纤维在瓶嘴接头20和塑料内胆10外侧进行缠绕以形成缠绕层；二是能够增加瓶嘴接头20和塑料内胆10的接触面积，降低二者之间的接触缝隙，从而提高二者的连接强度。

作为一种实施方式，瓶嘴接头20包括连接件21、密封压块22和锁紧螺母23；连接件21的底部形状与缓冲槽13形状相匹配，连接件21中心开设有连接口，密封压块22与连接口通过螺纹连接，密封压块22中心开设有密封口24，锁紧螺母23设置在连接件21的顶部，并与密封压块22的外周通过螺纹连接。

由于瓶嘴接头20和塑料内胆10均被纤维缠绕形成缠绕层，因此当储氢气瓶密封性下降，出现氢气泄露时，无法将瓶嘴接头20直接拆卸进行更换，只能是更换整个储氢气瓶。该设置下的瓶嘴接头20分为三个部分，第一部分为连接件21，能够保证与塑料内胆10之间的连接性，提高储氢气瓶的整体性；第二部分为密封压块22，主要起到连接塑料内胆10和高压气瓶阀门的作用，并且便于拆卸，一是便于更换零部件，延长瓶嘴接头20的使用寿命，即使在储氢气瓶出现密封性下降问题时，也能够进行密封压块22的更换，不必更换新的储氢气瓶，降低维修成本；二是便于第一密封圈40的更换，随着使用时间的延长，第一密封圈40在往复的压力冲击下会发生变形，从而使得储氢气瓶密封效果下降，因此该设置可以将密封压块22取下，进行第一密封圈40的更换即可，便于提高储氢气瓶的密封效果；第三部分为锁紧螺母23，当密封压块22通过螺纹旋入连接口之后，此时连接件21与密封压块22初步固定，锁紧螺母23进一步对密封压块22进行锁紧，提高密封压块22的稳定性，从而便于后续高压气瓶阀门的连接及氢气的充入与放出。

作为一种实施方式，瓶口12、密封口24和连接口共中心轴线设置。该设置能够提高储氢气瓶在周向上密封性的一致性，从而提高储氢气瓶的密封效果，并且便于储氢气瓶的加工生产。

作为一种实施方式，连接口的底部设置有凹槽25，凹槽25用于放置第二密封圈41，密封压块22的底部与第二密封圈41抵接。该第二密封圈41的设计能够进一步提高连接件21与密封压块22之间的密封性，与第一密封圈40配合双重防止氢气从密封压块22和连接件21的缝隙处发生泄漏，并且该凹槽25的设计位置也能够在密封压块22拆卸时进行第二密封圈41的更换，提高该储氢气瓶零部件的更换效率和维修便捷性。

作为一种实施方式，塑料内胆10和瓶嘴接头20的外周面与缠绕层之间还包括连接层，连接层用于连接缠绕层、塑料内胆10和瓶嘴接头20。图1-3中未示出连接层和缠绕层，该连接层的设置能够提高上述塑料内胆10和瓶嘴接头20与缠绕层之间的连接强度，进一步提高储氢气瓶的密封性和抗变形能力。

实施例3

本实施例涉及一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶的制备方法，包括下述步骤：

制作塑料内胆：按照外层的原料进行配比，并通过滚塑工艺制备外层，之后按照内层的原料进行配比，再向外层中加入内层的原料滚塑形成内层，形成塑料内胆；

装配：将固定套固定在瓶口内侧，之后将瓶嘴接头嵌合在缓冲槽内；

浆料涂覆：将浆料涂覆在塑料内胆和瓶嘴接头的外周面，在100℃下加热固化8-10h后形成连接层，连接层的厚度为0.5-0.6mm，按重量份数计，其中浆料包括20-30份二异氰酸酯、1-2份多异氰酸酯、0.5-1份催化剂、5-10份ZIF-8、70-80份环氧树脂和2-5份咪唑类固化剂：

缠绕：将纤维缠绕在连接层的外周面上，在80-120℃下加热固化2-6h后形成缠绕层，缠绕层的厚度为25-30mm，即得纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶。其中纤维为在浸渍料中进行浸渍后的碳纤维，按重量份数计，浸渍料包括50-60份水、20-30份乙醇、40-60份水性环氧树脂和5-10份多巴胺，浆料的pH为8-9，且碳纤维的浸胶量为17 20wt％。

作为一种优选的方案，浸渍料中还包括5-10份含二硫键的胺类扩链剂，该含二硫键的胺类扩链剂选自4,4’-二氨基二苯二硫醚、3,3'二氨基二苯二硫醚、双(2-氨基苯基)二硫、4,4'-双(2-氨基-6-甲基嘧啶基)二硫醚中的任意一种或多种。

下述以塑料内胆1#为基础进行装配步骤、浆料涂覆和缠绕步骤得到储氢气瓶1#-9#，其中装配步骤相同，对此不作赘述，浆料涂覆及缠绕步骤具体如下：

下述中所使用的ZIF-8的制备方法为：将六水合硝酸锌和2甲基咪唑按照1：2.5的重量比分别溶解至甲醇溶液中，之后将六水合硝酸锌溶液倒入至2甲基咪唑溶液中混合搅拌10h，经离心分离、甲醇洗涤、干燥后即得ZIF 8。

储氢气瓶1#

将浆料涂覆在塑料内胆和瓶嘴接头的外周面，在100℃下加热固化8h后形成连接层，连接层的厚度为0.5mm，其中浆料包括25份二异氰酸酯、2份多异氰酸酯、1份二丁基锡二月桂酸酯、8份ZIF-8、70份环氧树脂和4份2-甲基咪唑；之后将在浸渍料中进行浸渍后的碳纤维缠绕在连接层的外周面上，在100℃下加热固化5h后形成缠绕层，缠绕层的厚度为30mm，浸渍料包括550份水、250份乙醇、50份水性环氧树脂和8份多巴胺，浆料的pH为9，且碳纤维的浸胶量为20wt％，即得储氢气瓶1#。

储氢气瓶2#

将浆料涂覆在塑料内胆和瓶嘴接头的外周面，在100℃下加热固化10h后形成连接层，连接层的厚度为0.5mm，其中浆料包括20份二异氰酸酯、1份多异氰酸酯、0.5份二丁基锡二月桂酸酯、5份ZIF-8、70份环氧树脂和2份2-甲基咪唑；之后将在浸渍料中进行浸渍后的碳纤维缠绕在连接层的外周面上，在80℃下加热固化6h后形成缠绕层，缠绕层的厚度为25mm，浸渍料包括500份水、300份乙醇、60份水性环氧树脂和5份多巴胺，浆料的pH为8，且碳纤维的浸胶量为17wt％，即得储氢气瓶2#。

储氢气瓶3#

将浆料涂覆在塑料内胆和瓶嘴接头的外周面，在100℃下加热固化8h后形成连接层，连接层的厚度为0.6mm，其中浆料包括30份二异氰酸酯、2份多异氰酸酯、1份二丁基锡二月桂酸酯、10份ZIF-8、80份环氧树脂和5份2-甲基咪唑；之后将在浸渍料中进行浸渍后的碳纤维缠绕在连接层的外周面上，在120℃下加热固化2h后形成缠绕层，缠绕层的厚度为30mm，浸渍料包括600份水、200份乙醇、40份水性环氧树脂和10份多巴胺，浆料的pH为9，且碳纤维的浸胶量为20wt％，即得储氢气瓶3#。

储氢气瓶4#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：浸渍料中还包括5份4,4’-二氨基二苯二硫醚，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶4#。

储氢气瓶5#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：浸渍料中还包括10份4,4'-双(2-氨基-6-甲基嘧啶基)二硫醚，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶5#。

储氢气瓶6#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：连接层的厚度为1.0mm，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶6#。

储氢气瓶7#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：缠绕层的厚度为20mm，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶7#。

储氢气瓶8#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：浆料中不含有ZIF-8，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶8#。

储氢气瓶9#

本储氢气瓶与储氢气瓶1#的区别在于：浸渍料中不含有多巴胺，其余成分及步骤与储氢气瓶1#相同，即得储氢气瓶9#。

对上述制备的储氢气瓶1#-9#进行氢气渗透系数、抗变形测试、疲劳寿命及剥离强度测试，其中抗变形性的测试按照GB/T 9251-2022中的外测法进行，计算储氢气瓶的容积残余变形率。疲劳寿命按照T/CATSI02 007-2020标准测试，向储氢气瓶1#-9#循环充气70MPa，直至气瓶发生泄露，记录其最终泄露时的循环次数。剥离强度测试中将储氢气瓶裁剪成宽150mm×200mm的样条，沿长度方向将塑料内胆与缠绕层预先剥开50mm，将试样置于温度23±2℃、相对湿度50±5％的环境中放置4天，将试样剥开部分的两端分别夹在拉伸试验机的上、下夹具上，使试样的剥开部分呈垂直状态，未剥开部分呈水平状态，开启试验机进行剥离，试验速度设置为100mm/min，计算其剥离强度。

具体测试结果见下表2：

表2

对上述储氢气瓶进行防腐和耐化学性测试，上述储氢气瓶能够满足行业中氢气瓶的防腐和耐化学性要求，并且该储氢气瓶的耐热性也较好，可满足车用储氢瓶的耐温性需求。

本实施例中储氢气瓶4#和5#由于浸渍料中加入了含二硫键的胺类扩链剂，能够进一步提高连接层与缠绕层的结合力，从而防氢气渗透性、抗变形性及防脱层效果均得到提升，并且研究发现当储氢气瓶的缠绕层在受到不大于50μm的划痕时，能够在加热至120℃下处理8h，能够修复60％以上。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，包括：

塑料内胆，所述塑料内胆内部中空设置形成容纳腔，所述塑料内胆的顶部开设有瓶口，所述瓶口与所述容纳腔相连通，所述塑料内胆的肩部封头向内凹陷形成缓冲槽；

瓶嘴接头，所述瓶嘴接头的底部形状与所述缓冲槽形状相匹配，以使得所述瓶嘴接头嵌合在所述缓冲槽内，所述瓶嘴接头的上型面与所述塑料内胆的肩部封头圆滑过渡，所述瓶嘴接头中心开设有密封口，所述密封口的下端卡合在所述瓶口外侧，并通过第一密封圈密封，所述密封口的上端连接有高压气瓶阀门；

固定套，所述固定套设置在所述瓶口内侧，用于支撑所述瓶口，所述瓶嘴接头和所述固定套为金属材质；

缠绕层，纤维缠绕在所述塑料内胆和所述瓶嘴接头的外周面上形成所述缠绕层。

2.根据权利要求1所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述缓冲槽周向设置有至少两个卡接台面，所述瓶嘴接头的周向设置有与所述卡接台面相配合的卡接部，所述瓶嘴接头和所述缓冲槽通过所述卡接台面和所述卡接部卡合；或

所述缓冲槽顶部设置有凸起，所述瓶嘴接头底部设置有凹槽，所述瓶嘴接头和所述缓冲槽通过所述凸起和所述凹槽卡合。

3.根据权利要求1所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述瓶嘴接头包括连接件、密封压块和锁紧螺母；

所述连接件的底部形状与所述缓冲槽形状相匹配，所述连接件中心开设有连接口，所述密封压块与所述连接口通过螺纹连接，所述密封压块中心开设有密封口，所述锁紧螺母设置在所述连接件的顶部，并与所述密封压块的外周通过螺纹连接；

优选的，所述瓶口、密封口和所述连接口共中心轴线设置。

4.根据权利要求3所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述连接口的底部设置有凹槽，所述凹槽用于放置第二密封圈，所述密封压块的底部与所述第二密封圈抵接。

5.根据权利要求1所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述塑料内胆包括内层和外层，所述外层设置于所述内层的外侧；

按重量份数计，所述内层包括80-100份PA1 1、20-30份二异氰酸酯、3-5份多异氰酸酯、10-20份EVOH、5-10份云母鳞片和2-5份增塑剂；

按重量份数计，所述外层包括80-100份PA1 1、30-50份含有两个以上羟基的化合物或含有两个以上氨基的化合物、10-20份环氧树脂、3-5份酸酐类固化剂、2-5份增塑剂和1-3份催化剂。

6.根据权利要求5所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述云母鳞片的厚度为50-1000nm，片径为20-200μm。

7.根据权利要求6所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述云母鳞片为经过正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性后的云母鳞片，正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯改性云母鳞片的制备步骤为：

将云母鳞片洗净、烘干，置于乙醇溶液中在50-60℃下活化至少3h，之后在乙醇溶液中加入所述正硅酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，在50-60℃下改性2-3h，过滤烘干即得，所述正硅酸丁酯占所述云母鳞片重量的2％-6％，所述邻苯二甲酸二丁酯占所述云母鳞片重量的1％-2.5％。

8.根据权利要求5所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，在所述缠绕步骤之前，在所述塑料内胆和瓶嘴接头的外周面涂覆浆料，以形成连接层，所述缠绕层缠绕在所述连接层的外周面上，按重量份数计，所述浆料包括20-30份二异氰酸酯、1-2份多异氰酸酯、0.5-1份催化剂、5-10份ZIF-8、70-80份环氧树脂和2-5份咪唑类固化剂。

9.根据权利要求5所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述酸酐类固化剂为3,3'-二硫代二丙酸酐；

所述含有两个以上羟基的化合物选自1,4-丁二醇、甘油、二甘醇、4,4'-二羟基二苯硫醚、3,3'-二羟基二苯二硫醚中的至少一种；

所述含有两个以上氨基的化合物选自乙二胺、1,2-丙二胺、1,6-己二胺、对苯二胺、2,3-二氨基吡啶、3,3ˊ-亚氨基双-1-丙醇、4,4’-二氨基二苯二硫醚、3,3'二氨基二苯二硫醚中的至少一种。

10.根据权利要求5所述的纤维缠绕塑料内胆储氢气瓶，其特征在于，所述内层和外层通过滚塑工艺制成，以使得所述外层包覆于所述内层外侧。

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