CN117704261A - 一种高密封性气瓶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高密封性气瓶及其制备方法，属于储氢气瓶技术领域。该气瓶，包括：塑料内胆，塑料内胆包括内层和外层，内层包括80‑100份PA11、10‑20份EVOH、5‑8份多异氰酸酯和2‑5份增塑剂，外层包括80‑100份PA11、10‑20份环氧树脂、2‑3份固化剂、10‑15份纳米填料、2‑5份增塑剂和1‑3份催化剂，纤维缠绕层，纤维缠绕层设置于塑料内胆的外侧。该高密封性气瓶采用的塑料内胆能够缩短与纤维缠绕层的热膨胀差异性，提高塑料内胆与纤维缠绕层的粘结能力，减少微裂纹的产生，避免脱层，从而提高气瓶的密封性，降低氢气渗漏。
Description
技术领域
本申请涉及一种高密封性气瓶及其制备方法，属于储氢气瓶技术领域。
背景技术
随着石油资源的不断减少，汽车行业越来越偏向于发展绿色节能能源，氢气燃烧能够有效减少污染物的排出，因此采用氢气作为燃料制备得到的新能源汽车逐渐成为研究热点。
车载储氢技术的好坏直接关系到燃料电池汽车的续航、成本和安全性，目前车载储氢技术主要使用储氢气瓶进行高压气态储氢，现有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。
塑料内胆纤维全缠绕气瓶是由塑料内胆、瓶嘴接头和纤维缠绕层组成的，具有轻量化、大容量、耐高压等优点。然而在储气瓶的多次使用中塑料内胆会不可避免的产生裂纹，导致储气瓶内的氢气出现泄漏，降低储气瓶的密封性，严重时会引起火灾或爆炸。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种高密封性气瓶及其制备方法，该高密封性气瓶采用的塑料内胆能够缩短与纤维缠绕层的热膨胀差异性，提高塑料内胆与纤维缠绕层的粘结能力，减少微裂纹的产生，避免脱层，从而提高气瓶的密封性，降低氢气渗漏。
根据本申请的一个方面，提供了一种高密封性气瓶，包括：
塑料内胆，所述塑料内胆的顶部开设有瓶口，所述瓶口处设置有密封嘴，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PA11、10-20份EVOH、5-8份多异氰酸酯和2-5份增塑剂，所述外层包括80-100份PA1 1、10-20份环氧树脂、2-3份固化剂、10-15份纳米填料、2-5份增塑剂和1-3份催化剂；
纤维缠绕层：所述纤维缠绕层设置于所述塑料内胆的外侧。
内层和外层均采用PA11为基材，可提高外层和内层的结合性，避免塑料内胆出现分层，内层中的多异氰酸酯和EVOH既能够提高PA1 1的加工性能，又能够提高内层的抗氢气渗透性，外层中的环氧树脂和内层中的多异氰酸酯在加工成型中能够形成交联网络，该交联网络能够与EVOH紧密结合，从而进一步提高塑料内胆的致密性，降低氢气泄漏率。
外层中增加的纳米填料能够缩短与纤维缠绕层的热膨胀差异性，增加与内层及纤维缠绕层的结合强度，从而避免脱层，且降低微裂纹的产生，即使在出现微裂纹时，也能够阻止微裂纹的进一步扩展，提高气瓶的密封性。
可选地，所述纳米填料由重量比为(2-4)：1的改性蒙脱土和改性二氧化锆组成。
经过验证，上述两种改性纳米填料能够互补，在提高气瓶密封性的同时还能够提高气瓶的机械强度和抗变性，该两种物质的加入也提高了与纤维缠绕层的结合力，便于浸渍纤维的紧密缠绕，协同提高气瓶的密封性，尤其是低温密封性。
可选地，所述改性蒙脱土为经过单宁酸和磺胺脒改性后得到的。
可选地，所述改性蒙脱土的制备方法为：将蒙脱土置于含有单宁酸的溶液中，30-50℃下超声1-2h，过滤、干燥后得到中间体，之后将所述中间体置于含有磺胺脒的溶液中，50-60℃下搅拌反应4-5h，过滤、干燥后即得。
采用单宁酸对蒙脱土进行酸化改性，可减少蒙脱土的层间结合力，提高蒙脱土自身的比表面积，得到的中间体再置于含有磺胺脒的溶液中时，能够使得磺胺脒接枝在蒙脱土的表面，上述改性后得到的改性蒙脱土一是能够参与环氧树脂的开环反应，提高纳米填料与环氧树脂的结合性，便于纳米填料的分散，提高气瓶的尺寸均匀性，避免出现应力集中点，进而提高气瓶的抗变形性；二是纳米填料中含有多个氨基，可以作为环氧树脂网络的交联点，提高环氧树脂交联网络的致密性，降低氢气的渗漏；三是磺胺脒中含有的苯环，能够提高外层的机械强度，进而提高气瓶的安全性；四是磺胺脒中含有的的硫氧双键与环氧树脂亲和力强，促进环氧树脂的固化，故其加入能够在外层的加工成型中起到润滑剂的作用，制备得到的外层的光滑度提高，避免塑料内胆在成型中出现气泡，从而进一步阻止氢气的渗漏。
可选地，所述含有单宁酸的溶液中，单宁酸的浓度为0.06-0.1mg/mL，所述含有磺胺脒的溶液中，磺胺脒的浓度为0.1-0.5mg/mL。上述单宁酸和磺胺脒的浓度既能够保证对蒙脱土进行改性得到改性蒙脱土，又能够避免过度反应，使得改性蒙脱土表面的接枝基团数量适中，且节约成本。
可选地，所述改性二氧化锆为经过低渗漏助剂改性后得到的，所述低渗漏助剂结构式如下：
其中，R1选自包含直链或支链的C3-C6烷基中的一种，R2和R3独立的选自包含直链或支链的C1-C3烷基中的一种，R4选自包含直链或支链的C1-C3烷基中的一种。
改性二氧化锆表面附着有该低渗漏助剂，低渗漏助剂对二氧化锆起到表面修饰作用，提高二氧化锆的分散性，从而提高塑料内胆的机械强度。经过低渗漏助剂改性后得到的改性二氧化锆中含有磺酸根，与磺胺脒中的硫氧双键均含有硫元素，能够增加与改性蒙脱土的结合性，提高纳米填料层的致密性，阻挡氢气的扩散，降低塑料内胆的氢气渗漏率，并能够提高与内层和纤维缠绕层的相容性，避免气瓶脱层；改性二氧化锆表面含有的羰基能够增加与环氧树脂网络的结合性，便于改性二氧化锆沿环氧树脂交联网络分散，从而与环氧树脂、PA11共同形成致密的保护层，降低微裂纹的产生，进而降低氢气的渗漏率。
低渗漏助剂中R1和R4的烷基能够增加低渗漏助剂的链长，提高低渗漏助剂的自由度，从而使得低渗漏助剂能够在二氧化锆的表面均匀分散，促进改性二氧化锆在基材中的分散，R2和R3的烷基作为侧链基团，不易过长，过长会使得低渗漏助剂的位阻增加，不利于其在二氧化锆表面上均匀分散，且降低改性二氧化锆和改性蒙脱土的结合性，从而降低两种改性纳米填料形成的防渗网的致密性。
可选地，所述R1选自直链的C3-C6烷基中的一种，R2和R3选自乙基，R4选自直链的C1-C3烷基中的一种。
直链的R1和R4能够提高低渗漏助剂在二氧化锆表面的分散性，R2和R3为乙基，既能够降低低渗漏助剂的位阻，提高分散性，又能够提高改性二氧化锆与基材的结合性，使得塑料内胆的氢气渗漏率明显降低。
可选地，所述改性二氧化锆的制备方法为：将二氧化锆置于含有低渗漏助剂的溶液中，60-80℃下超声30-50min，过滤、干燥后即得。
可选地，所述低渗漏助剂由第一单体和第二单体反应制备得到，所述第一单体选自(二甲氨基)丙酮、(7ci,8ci,9ci)-3-(二甲基氨基)-2-丁酮、二乙胺基丙酮、5-二乙氨基-2-戊酮、1-二丙氨基-2-丙酮中的至少一种；
所述第二单体选自丙磺酸内酯、丁磺酸内酯、戊磺酸内酯、己磺酸内酯中的至少一种。
可选地，所述低渗漏助剂的制备方法为：
将摩尔比为1：(1-1.1)的所述第一单体和第二单体溶于溶液中，在100-110℃下搅拌反应2-5h后得到。
第一单体和第二单体在上述反应条件下进行反应，能够提高第一单体和第二单体的转化率，从而提高低渗漏助剂的纯度。
可选地，所述改性蒙脱土的粒径为400-500nm，所述改性二氧化锆的粒径为50-200nm。上述两种改性纳米填料的粒径与重量比结合，一是能够使得改性二氧化锆分散在改性蒙脱土的间隙中，提高纳米填料的致密性，二是能够便于改性二氧化锆表面的低渗漏助剂与改性蒙脱土表面的基团结合，提高两种纳米填料的结合力，阻挡塑料内胆的变形，提高气瓶的抗变形能力；三是提高纳米填料的比表面积，便于二者在外层基材中均匀分散，提高外层的加工性能。
根据本申请的另一个方面，提供了上述任一项所述的高密封性气瓶的制备方法，包括下述步骤：
(1)称量所述外层的原料，通过滚塑工艺制备得到所述外层，再称量所述内层的原料，将其加入至所述外层中，通过滚塑工艺得到所述塑料内胆；
(2)将浸渍环氧树脂的碳纤维缠绕在所述塑料内胆的外侧，加热固化，安装所述密封嘴后即得所述高密封性气瓶。
可选地，步骤(1)和步骤(2)中滚塑工艺的温度为200-230℃。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的高密封性气瓶，内层和外层形成的塑料内胆结合力强，对氢气的密封性强，外层中增加的纳米填料能够缩短与纤维缠绕层的热膨胀差异性，增加与内层及纤维缠绕层的结合强度，从而避免脱层，且降低微裂纹的产生，从而避免氢气泄露。
2.根据本申请的高密封性气瓶，改性蒙脱土的加入能够提高气瓶的尺寸均匀性、机械强度和表面致密性，避免塑料内胆在成型中出现气泡，进一步阻止氢气的渗漏；低渗漏助剂改性后得到的改性二氧化锆，与改性蒙脱土协同性能好，可提高纳米填料在外层中的致密性，降低微裂纹的产生，提高气瓶的使用寿命和极限使用压力。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请中的固化剂可以采用碱性固化剂、酸性固化剂中的任意一种或多种，增塑剂和催化剂也可以选用现有技术中已有的增塑剂和催化剂，上述固化剂、增塑剂和催化剂的具体种类并不构成对本申请的限制。下述实施例中采用的是二乙烯三胺作为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂，二丁基锡二月桂酸酯作为催化剂。
实施例1
本实施例涉及一种高密封性气瓶的制备，包括下述步骤：
(1)将100份PA11、20份环氧树脂、3份固化剂、10份二氧化硅、5份增塑剂和3份催化剂混合，在230℃下通过模具滚塑成型得到厚度为3mm的外层，纳米二氧化硅的粒径为400nm；之后称量100份PA11、20份EVOH、8份多异氰酸酯和5份增塑剂，将其混合后加入至外层内，在230℃下滚塑成型得到厚度为2.5mm的内层，即得塑料内胆；
(2)将浸渍环氧树脂浆料的碳纤维缠绕在塑料内胆的外侧，碳纤维的浸胶量为18wt％，120℃下加热固化3h后形成厚度为30mm的纤维缠绕层，安装密封嘴后即得高密封性气瓶1#。
实施例2
本实施例涉及一种高密封性气瓶的制备，包括下述步骤：
(1)将80份PA11、10份环氧树脂、2份固化剂、10份改性蒙脱土、5份改性二氧化锆，2份增塑剂和1份催化剂混合，在230℃下通过模具滚塑成型得到厚度为3mm的外层，改性蒙脱土的粒径为400nm，改性二氧化锆的粒径为200nm，其中改性蒙脱土的制备方法为：将蒙脱土置于十八烷基三甲基氯化铵的水溶液中，十八烷基三甲基氯化铵的浓度为0.1mg/mL，50℃下超声1h，过滤、干燥后得到。改性二氧化锆的制备方法为：将二氧化锆置于乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的乙醇溶液中，60℃下超声50min，过滤、干燥后即得；之后称量80份PA11、10份EVOH、5份多异氰酸酯和2份增塑剂，将其混合后加入至外层内，在230℃下滚塑成型得到厚度为2.5mm的内层，即得塑料内胆；
(2)将浸渍环氧树脂浆料的碳纤维缠绕在塑料内胆的外侧，碳纤维的浸胶量为18wt％，120℃下加热固化3h后形成厚度为30mm的纤维缠绕层，安装密封嘴后即得高密封性气瓶2#。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，改性蒙脱土和改性二氧化锆的制备方法不同，具体如下：
改性蒙脱土：将蒙脱土置于单宁酸的水溶液中，单宁酸的浓度为0.1mg/mL，30℃下超声2h，过滤、干燥后得到中间体，之后将所述中间体置于磺胺脒的乙醇与水的混合溶液中，乙醇与水的体积比为1:1，磺胺脒的浓度为0.5mg/mL，60℃下搅拌反应4h，过滤、干燥后即得。
改性二氧化锆：将摩尔比为1.1:1的二乙胺基丙酮和丁磺酸内酯溶于乙醇和丙酮的混合溶液中，乙醇和丙酮的体积比为1:1，通入氮气，在110℃下搅拌反应4h，提纯后得到低渗漏助剂，之后将二氧化锆置于低渗漏助剂的乙醇与丙酮的混合溶液中，乙醇与丙酮的体积比为1：1，80℃下超声30min，过滤、干燥后即得。
其余步骤与实施例2相同，即得高密封性气瓶3#。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于，改性蒙脱土和改性二氧化锆的制备方法不同，具体如下：
改性蒙脱土：将蒙脱土置于单宁酸的水溶液中，单宁酸的浓度为0.06mg/mL，50℃下超声1h，过滤、干燥后得到中间体，之后将所述中间体置于磺胺脒的乙醇与水的混合溶液中，乙醇与水的体积比为1:1，磺胺脒的浓度为0.1mg/mL，50℃下搅拌反应5h，过滤、干燥后即得。
改性二氧化锆：将摩尔比为1:1的(二甲氨基)丙酮和丙磺酸内酯溶于乙醇和丙酮的混合溶液中，乙醇和丙酮的体积比为1:1，通入氮气，在100℃下搅拌反应5h，提纯后得到低渗漏助剂，之后将二氧化锆置于低渗漏助剂的乙醇与丙酮的混合溶液中，乙醇与丙酮的体积比为1：1，60℃下超声50min，过滤、干燥后即得。
其余步骤与实施例2相同，即得高密封性气瓶4#。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于，低渗漏助剂不同，具体如下：将摩尔比为1.1:1的5-二乙氨基-2-戊酮和己磺酸内酯溶于乙醇和丙酮的混合溶液中，乙醇和丙酮的体积比为1:1，通入氮气，在110℃下搅拌反应2h，提纯后得到低渗漏助剂。
其余步骤与实施例3相同，即得高密封性气瓶5#。
实施例6
本实施例与实施例3的区别在于，低渗漏助剂不同，具体如下：将摩尔比为0.5:0.5:1的1-二丙氨基-2-丙酮、(7ci,8ci,9ci)-3-(二甲基氨基)-2-丁酮和戊磺酸内酯溶于乙醇和丙酮的混合溶液中，乙醇和丙酮的体积比为1:1，通入氮气，在110℃下搅拌反应3h，提纯后得到低渗漏助剂。
其余步骤与实施例3相同，即得高密封性气瓶6#。
实施例7
本实施例与实施例4的区别在于，添加的是8份改性蒙脱土和2份改性二氧化锆，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶7#。
实施例8
本实施例与实施例4的区别在于，添加的是5份改性蒙脱土和10份改性二氧化锆，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶8#。
实施例9
本实施例与实施例4的区别在于，采用聚乙烯亚胺替换磺胺脒，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶9#。
实施例10
本实施例与实施例4的区别在于，采用N,N-二甲基苯胺替换(二甲氨基)丙酮，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶10#。
实施例11
本实施例与实施例4的区别在于，改性蒙脱土的粒径为500nm，改性二氧化锆的粒径为50nm，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶10#。
实施例12
本实施例与实施例4的区别在于，改性蒙脱土的粒径为200nm，改性二氧化锆的粒径为400nm，其余步骤与实施例4相同，即得高密封性气瓶12#。
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于，外层中含有5份改性蒙脱土、2.5份改性二氧化锆，其余步骤与实施例3相同，即得对比高密封性气瓶D1#。
对比例2
本对比例与实施例3的区别在于，外层中含有15份改性蒙脱土、7.5份改性二氧化锆，其余步骤与实施例3相同，即得对比高密封性气瓶D2#。
对比例3
本对比例与实施例3的区别在于，改性蒙脱土的粒径为40μm，改性二氧化锆的粒径为20μm，其余步骤与实施例3相同，即得对比高密封性气瓶D3#。
对上述实施例及对比例制备的高密封性气瓶进行氢气渗透系数、抗变形测试、疲劳寿命及剥离强度测试，其中氢气渗透系数按照GB/T1038进行，抗变形性测试按照GB/T9251-2022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/CATSI02007-2020标准测试，向储气瓶循环充气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气瓶裁剪成宽150mm×200mm的样条，沿长度方向将塑料内胆与纤维缠绕层预先剥开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1：
表1
对上述实施例及对比例制备的高密封性气瓶进行防腐和耐化学性测试，上述高密封性气瓶能够满足行业中氢气瓶的防腐和耐化学性要求，并且该高密封性气瓶的耐热性也较好，可满足车用高密封性气瓶的耐温性需求。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想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保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高密封性气瓶，其特征在于，包括：
塑料内胆，所述塑料内胆的顶部开设有瓶口，所述瓶口处设置有密封嘴，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PA11、10-20份EVOH、5-8份多异氰酸酯和2-5份增塑剂，所述外层包括80-100份PA1 1、10-20份环氧树脂、2-3份固化剂、10-15份纳米填料、2-5份增塑剂和1-3份催化剂；
纤维缠绕层：所述纤维缠绕层设置于所述塑料内胆的外侧。
2.根据权利要求1所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述纳米填料由重量比为(2-4)：1的改性蒙脱土和改性二氧化锆组成。
3.根据权利要求2所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述改性蒙脱土为经过单宁酸和磺胺脒改性后得到的。
4.根据权利要求3所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述改性蒙脱土的制备方法为：将蒙脱土置于含有单宁酸的溶液中，30-50℃下超声1-2h，过滤、干燥后得到中间体，之后将所述中间体置于含有磺胺脒的溶液中，50-60℃下搅拌反应4-5h，过滤、干燥后即得。
5.根据权利要求4所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述含有单宁酸的溶液中，单宁酸的浓度为0.06-0.1mg/mL，所述含有磺胺脒的溶液中，磺胺脒的浓度为0.1-0.5mg/mL。
6.根据权利要求2所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述改性二氧化锆为经过低渗漏助剂改性后得到的，所述低渗漏助剂结构式如下：
其中，R1选自包含直链或支链的C3-C6烷基中的一种，R2和R3独立的选自包含直链或支链的C1-C3烷基中的一种，R4选自包含直链或支链的C1-C3烷基中的一种。
7.根据权利要求6所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述改性二氧化锆的制备方法为：将二氧化锆置于含有低渗漏助剂的溶液中，60-80℃下超声30-50min，过滤、干燥后即得。
8.根据权利要求6所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述低渗漏助剂由第一单体和第二单体反应制备得到，所述第一单体选自(二甲氨基)丙酮、(7ci,8ci,9ci)-3-(二甲基氨基)-2-丁酮、二乙胺基丙酮、5-二乙氨基-2-戊酮、1-二丙氨基-2-丙酮中的至少一种；
所述第二单体选自丙磺酸内酯、丁磺酸内酯、戊磺酸内酯、己磺酸内酯中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的高密封性气瓶，其特征在于，所述改性蒙脱土的粒径为400-500nm，所述改性二氧化锆的粒径为50-200nm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的高密封性气瓶的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)称量所述外层的原料，通过滚塑工艺制备得到所述外层，再称量所述内层的原料，将其加入至所述外层中，通过滚塑工艺得到所述塑料内胆；
(2)将浸渍环氧树脂的碳纤维缠绕在所述塑料内胆的外侧，加热固化，安装所述密封嘴后即得所述高密封性气瓶。
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