CN117754888A - 一种大直径复合材料高压容器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及存储液体或气体的容器的技术领域，具体公开了一种大直径复合材料高压容器及其制作方法。该制作方法的步骤具体如下：在PLC控制系统的作用下，利用多维缠绕机以模具为基础，将浸润过树脂溶液的纤维丝缠绕成型，分别制作所述高压容器的内衬层和结构层，进而制得所述高压容器；所述纤维丝和所述树脂溶液使用的重量比为100:30‑45；玻璃纤维、S高强纤维、凯夫拉尔纤维、碳纤维、玄武岩纤维和陶瓷纤维；所述模具为封头、筒体和极孔一体化成型的模具。本申请提供的制作方法制得的高压容器容积大、耐压强度高达10Mpa。
Description
技术领域
本申请涉及存储液体或气体的高压容器的技术领域，更具体地说，涉及一种大直径复合材料高压容器及其制作方法。
背景技术
大型容器从结构形式上可分为四类：第一类是全金属型容器；第二类是金属内衬环向缠绕复合材料增强型复合压力容器；第三类是全缠绕复合材料立式储罐，是大型容器的主要表现形式；第四类是塑料内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器。
由于复合容器不仅兼顾了金属内衬的良好加工性、气密性、耐蚀性、高强度、高韧性等特点，又综合了复合材料重量轻、安全性好以及良好的可设计性等优点，使其具有强度好、质量轻、耐腐蚀等优良性能。复合容器比钢质压力容器的重量可减轻1/3-2/3；同时，复合材料在受到撞击或高速冲击发生破坏时，不会产生具有危险性的碎片，从而降低或避免了对人员的伤害，复合容器比金属容器具有更好的使用安全性。
纤维缠绕复合压力容器实体结构是由内衬层、纤维缠绕增强层和外保护层组成。复合容器中增强层承担绝大部分的压力载荷，纤维是复合材料的主要承载部分。目前常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（Kevlar）纤维等，主要产品形式为无捻纱。
储罐是上述大型容器常见的一种表现形式。相关技术中，储罐的成型工艺为二维定长缠绕筒体，封头单独成型，缠绕过程中纱线张力不控制，筒体与封头两者连接形成储罐，该成型工艺易形成圆筒状，各层张力无法按要求控制，工艺误差大，不耐压以及存在滴漏的缺陷。储罐形状复杂时，则需要多次单独成型，多次组装。
发明内容
本申请提供一种大直径复合材料高压容器及其制作方法。
本申请提供的制作方法制得的大直径1.6-4m、耐压容器容积大至50-200m³、耐压强度高达10Mpa。制作过程中，容器封头、筒体和极孔一体化成型，容器内可储存水、压缩空气、溶剂和化工液体等，储存密度高、储存周期长，摆脱地理条件约束，应用于能源、储能、蓄能等领域，可大规模推广应用。
本申请采用复合材料多维（≥4维）缠绕成型工艺，采用了高精度全闭环计算机编程逻辑控制，伺服电机等张力或可变张力控制缠绕纱的张力。实现输入参数后，所有制品线型自动生成，可模拟运行全部工艺，在计算机里自动生成、自动完成，整个制品缠绕过程，做到一气呵成。
本申请的制作方法适用于球体、各种大小尺寸不一的极孔罐体、各种型号的椎体、圆柱体、椭圆筒体、方形筒体、多棱筒体、组合体等。
本申请制作方法中的缠绕方法选择的增强材料可以是玻璃纤维合股纱、碳纤维纱、玻璃纤维或者碳纤维经编织物，选择的树脂可以是环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯树脂、环氧乙烯基酯树脂，酚醛树脂等高性能缠绕专用树脂。
第一方面，本申请提供一种大直径复合材料高压容器的制作方法，采用如下的技术方案：
一种大直径复合材料高压容器的制作方法，所述制作方法的步骤具体如下：在PLC控制系统的作用下，利用多维缠绕机以模具为基础，将浸润过树脂溶液的纤维丝缠绕成型，分别制作所述高压容器的内衬层和结构层，进而制得所述高压容器；
所述纤维丝和所述树脂溶液使用的重量比为100:30-45；
所述纤维丝包括玻璃纤维、S高强纤维、凯夫拉尔纤维、碳纤维、玄武岩纤维和陶瓷纤维；
所述模具为封头、筒体和极孔一体化成型的模具。
本申请通过采用一体成型的模具以及控制纤维丝和树脂溶液的体积比，从而提高制得的高压容器的耐压强度。
本申请的制作方法中采用一体成型的模具进行高压容器的制作，而现有技术采用容器各部分分别利用模具成型后，再进行缠绕组装制得高压容器的方式。相比之下，由于先分别成型再组装的方式中各部分之间的连接处由于密封性较差，故不能承受较大的压力强度，影响了高压容器整体的耐压强度。而选择一体成型的模具有效克服了上述缺陷，从而能够进一步提高制得的高压容器的耐压强度。
可选地，所述纤维丝包括若干纤维单元。
可选地，所述纤维单元的中间为碳纤维或玻璃纤维，外周利用玄武岩纤维螺旋环向紧密缠绕。
本申请通过引入玄武岩纤维，并调整组成纤维丝的纤维单元的结构以及树脂溶液的比例，从而进一步提高制得的高压容器的耐压强度。相比纤维丝中未引入玄武岩纤维的高压容器，纤维丝中引入玄武岩纤维后的高压容器的耐压强度提高了7倍以上。
可选地，所述纤维丝由若干纤维单位组成，纤维丝为中间为玻璃纤维单元、外周为碳纤维单元的混合结构。
可选地，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（6-10）。
在一个具体的实施方式中，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：5、1：6、1：8、1：10、1：12。
在一些具体的实施方式中，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（5-6）、1：（5-8）、1：（5-10）、1：（5-12）、1：（6-8）、1：（6-10）、1：（6-12）、1：（8-10）、1：（8-10）、1：（10-12）。
本申请中，纤维丝中采用碳纤维单元和玻璃纤维单元时制得的高压容器的耐压强度较高，而中间用玻璃纤维代替碳纤维或外周用碳纤维替换玻璃纤维时制得的高压容器的耐压强度均明显降低。由此可知，纤维丝的中间为碳纤维单元和外周为玻璃纤维单元的结合，能够有效提高制得的高压容器额耐压强度。
可选地，所述树脂溶液为双组份环氧树脂或者酚醛树脂的溶液。
可选地，所述双组份环氧树脂的混合质量比为1：1。
环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。
环氧树脂原料丰富、工艺简单、价格适中，环氧树脂对玻璃纤维的粘结力较好，固化方便、力学性能好。
另外，环氧树脂是指分子中含有两个或多个环氧基团的树脂的总称，用于复合材料的品种大致有以下4类：二酚基丙烷型环氧树脂，即E型或称双酚A型；酚醛多环氧树脂，即F型；脂环族环氧树脂；其他工业环氧树脂。
本申请中，碳纤维和玻璃纤维表面都做了螺旋缠绕，从而环氧树脂作为和玻璃纤维或碳纤维之间的粘结介质，制得的高压容器同时具备环氧树脂优异的耐压强度和玻璃纤维优异的支撑强度。
相比之下，用环氧树脂代替酚醛树脂或不饱和聚酯树脂时，制得的高压容器的耐压强度高于利用酚醛树脂和不饱和聚酯树脂的树脂溶液制得高压容器的耐压强度。原因是环氧树脂与纤维两者结合较好，且环氧树脂在一定的条件下可长时间操作，其中的活泼的环氧基团与多种固化剂发生交联反应，形成力学性能非常优异的纤维增强热固性塑料结构。
第二方面，本申请提供一种大直径复合材料高压容器，其利用上述制作方法制得。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
本申请提供的制作方法制得的大直径1.6-4m、耐压容器容积大至50-200m³、耐压强度高达10Mpa。制作过程中，容器封头、筒体和极孔一体化成型，容器内可盛水、压缩空气、溶剂和化工液体等，储存密度高、储存周期长，摆脱地理条件约束，可大规模推广应用；
本方法可以做到不同形状、不同尺寸的容器筒身与封头的一体高精度成型，缠绕过程中各层张力单独控制，精确调整树脂含量，通过使用混胶机混合树脂保证树脂满足使用量基本不浪费，工艺灵活，整体操作简单对工人要求不高。
具体实施方式
在详细描述本申请的实施方案之前，应当理解，本文所用术语仅用于描述特定实施方案的目的。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语与该术语所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合实施例、对比例以及性能检测结果对本申请作进一步详细说明。
以下实施例中，除特殊说明外，采用本领域常用的手段或参数。尤其是，所用纤维的直径满足相关技术中制备纤维缠绕高压容器所用纤维的直径要求。所用的缠绕工艺为本领域常用的缠绕工艺。制作过程中常规使用的助剂或添加剂均采用相关技术中常规使用的助剂或添加剂。其中，碳纤维采用的是T700的碳纤维；环氧树脂购自华东理工大学华昌聚合物有限公司,MERICAN321专用环氧树脂系统，粘度（25℃）1200-1400mpas，密度1.1-1.2，环氧当量（g/mol）170-180。
实施例1：本实施例提供了一种大直径复合材料高压容器的制作方法。具体如表1所示。
该制作方法的步骤具体如下：
（1）定位模具：通过设置在轴头上的四爪卡盘将模具拉紧拉直，连接卡盘的法兰内设有轴承，当模具转动时带动卡盘转动时主轴不转，并根据要求调整长度，利用锁紧装置锁紧固定好模具；
模具为封头、筒体和极孔一体化成型的模具；
（2）纤维丝的准备：将所用的材料安装在纱架机上，通过导丝孔、挤胶滚或刮胶板穿过15-60℃的胶槽，最终引入到导丝嘴做好缠绕的准备工作。每根纱的张力由采用伺服式闭环电子张力器单独精确控制张力。最大出纱速度：60m/min，纱架最大运行速度：1.0m/s；
纤维丝包括若干纤维单元。纤维单元的中间为碳纤维或玻璃纤维，外周利用玄武岩纤维螺旋紧密缠绕；
纤维丝为中间为碳纤维单元、外周为玻璃纤维单元的混合结构。碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：6；
（3）树脂溶液的准备：使用多组分流体混合设备混合树脂，制得树脂溶液，树脂溶液的制备过程中温度控制在20-25℃，并将混合好的树脂置于缠绕机胶槽内；
树脂溶液为双组份环氧树脂的混合溶液；
（4）在控制系统的作用下，利用缠绕机以模具为基础，将浸润过树脂溶液的纤维丝缠绕成型，分别制作所述高压容器的内衬层和结构层，之后进行加热固化、外形修正和水压测试，进而制得高压容器；
纤维丝和树脂溶液使用的质量比为100：40；
（5）整套缠绕过程通过计算机作为一个控制中心，控制系统按照设定参数无需人工介入而直至自动运行完成。
缠绕机床固定、缠绕机小车系统往复运行、伸臂前后运行、导纱嘴伸缩和旋转运动、缠绕机纱架系统跟随小车进行同步运行、浸胶系统检测树脂量和温度等互相联动完成缠绕工作。
实施例2-11：实施例2-11分别提供了一种大直径复合材料高压容器的制作方法。上述实施例与实施例1的不同之处在于制作方法中的参数控制，具体如表1所示。
上述实施例1-11的不同之处具体如下：
实施例1-5的不同之处在于：纤维丝中，碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比。
实施例6-7与实施例3的不同之处在于：纤维丝和树脂溶液的重量比。
实施例8-11与实施例3的不同之处在于：高压容器的容积。
表1 实施例和对比例的制作方法中的参数和高压容器的检测结果
。
对比例1-6分别提供了一种容器的制作方法。上述对比例与实施例7的不同之处在于制作方法中的参数控制，具体如表1所示。
上述对比例1-6与实施例3的不同之处具体如下：
对比例1与实施例3的不同之处在于：纤维单元中无玄武岩纤维的螺旋紧密缠绕。
对比例2-3与实施例3的不同之处在于：纤维丝和树脂溶液的重量比。
对比例4-5与实施例3的不同之处在于：纤维丝中纤维单元的类型不同。
对比例6与实施例7的不同之处在于：容器各部分分别成型后，再缠绕组装制得高压容器。
性能检测试验：分别检测上述实施例和对比例的高压容器的耐压强度。检测方法参考《塑料衬里压力容器试验方法第6部分：耐压试验》中的气压试验。检测结果如表2所示。
表2 上述实施例和对比例制得的高压容器耐压强度的检测结果
由表2可知，通过对比实施例1-5的检测结果可知，纤维丝中碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比对制得的高压容器的耐压强度有影响。当纤维丝中碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（5-12）时，制得的高压容器的耐压强度大于38MPa。进一步地，当纤维丝中碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（6-10）时，制得的高压容器的耐压强度大于49MPa。
通过对比实施例3和对比例1的检测结果可知，本申请的制作方法中通过引入玄武岩纤维能够有效提高制得的高压容器的耐压强度。相比纤维丝中未引入玄武岩纤维的高压容器，纤维丝中引入玄武岩纤维后的高压容器的耐压强度提高了7倍以上。
通过对比实施例6-7、3和对比例2-3的检测结果可知，纤维丝和树脂溶液的重量比对制得的高压容器的耐压强度有影响。当纤维丝和树脂溶液的重量比为100：（35-45）时，制得的高压容器的耐压强度大于49MPa。当纤维丝和树脂溶液的重量比小于100：35或大于100：45时，制得的高压容器的耐压强度明显低于当纤维丝和树脂溶液的重量比为100：（35-45）时制得的高压容器的耐压强度。
另外，通过对比实施例3和对比例4-5的检测结果可知，纤维丝中采用碳纤维单元和玻璃纤维单元时制得的高压容器的耐压强度较高，而外周用玻璃纤维代替碳纤维或中间用碳纤维替换玻璃纤维时制得的高压容器的耐压强度均明显降低。由此可知，纤维丝的中间为玻璃纤维单元和外周为碳纤维单元的结合，能够有效提高制得的高压容器的耐压强度。
通过对比实施例3和对比例6的检测结果可知，本申请的制作方法中采用一体成型的模具进行高压容器的制作，而对比例8则采用容器各部分分别利用模具成型后，再进行缠绕组装制得高压容器的方式。通过对比可知，由于先分别成型再组装的方式中各部分之间的连接处由于密封性较差，故不能承受较大的压力强度，影响了高压容器整体的耐压强度。而选择一体成型的模具有效克服了上述缺陷，从而能够进一步提高制得的高压容器的耐压强度。
通过对比实施例7和实施例8-11的检测结果可知，制得高压容器的体积对高压容器的耐压强度基本没有影响。由此可知，利用本申请的制作方法用于制作大体积的高压容器。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种大直径复合材料高压容器的制作方法，其特征在于，所述制作方法的步骤具体如下：
在PLC控制系统的作用下，利用多维缠绕机以模具为基础，将浸润过树脂溶液的纤维丝缠绕成型，分别制作所述高压容器的内衬层和结构层，进而制得所述高压容器；
所述纤维丝和所述树脂溶液使用的重量比为100:30-45；
所述纤维丝包括玻璃纤维、S高强纤维、凯夫拉尔纤维、碳纤维、玄武岩纤维和陶瓷纤维；
所述模具为封头、筒体和极孔一体化成型的模具。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述纤维丝包括若干纤维单元。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述纤维单元的中间为碳纤维或玻璃纤维，外周利用玄武岩纤维螺旋环向紧密缠绕。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述纤维丝由若干纤维单元组成，纤维丝为中间为玻璃纤维单元、外周为碳纤维单元的混合结构。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（6-10）。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述树脂溶液为双组份环氧树脂或者酚醛树脂的溶液。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述双组份环氧树脂的混合质量比为1：1。
8.一种大直径复合材料高压容器，其特征在于，利用权利要求1-7中任一项所述的制作方法制得。
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