DE102017220882A1 - Pressure vessel with thermoplastic and thermoset reinforcement and manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff mit mindestens einer faserverstärkten Schicht 120, die ein Brennstoffspeichervolumen I umschließt. Die faserverstärkte Schicht 120 umfasst mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten 122, 124. Eine Thermoplast-Schicht 122 weist ein thermoplastisches Matrixmaterial und Verstärkungsfasern auf. Eine Duroplast-Schicht 124 weist ein duroplastisches Matrixmaterial und Verstärkungsfasern auf. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung, Wiederverwendung oder Reparatur von einem Druckbehälter. The technology disclosed herein relates to a pressure vessel 100 for storing fuel having at least one fiber reinforced layer 120 enclosing a fuel storage volume I. The fiber reinforced layer 120 comprises at least two superimposed layers 122, 124. A thermoplastic layer 122 comprises a thermoplastic matrix material and reinforcing fibers. A thermoset layer 124 comprises a thermosetting matrix material and reinforcing fibers. The technology disclosed herein further relates to a method of making, reusing or repairing a pressure vessel.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter sowie ein Verfahren zur Herstellung, Wiederverwertung oder Reparatur eines Druckbehälters. Druckbehälter als solche sind bekannt. Sie weisen als Armierung eine faserverstärkte Schicht auf, dessen Matrixmaterial aus Duroplast oder Elastomer besteht. Elastomere weisen schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Daher weisen Druckbehälter mit einer Thermoplast-Armierung bei gleicher Druckbeständigkeit mehr Faserschichten auf als Druckbehälter mit einer Duroplast-Armierung. Dies führt letztendlich zu einem höheren Bauraumbedarf und zu einem höheren Gewicht. Aus diesem Grund werden heutzutage hauptsächlich Duroplast-Armierungen eingesetzt. Nachteilig an solchen Duroplast-Armierungen ist, dass sich diese kaum reparieren und wiederverwenden lassen. Grund hierfür ist, dass dieses Harz bei Temperaturen über 100°C nicht schmilzt, sondern brennt. Eine Trennung der Verstärkungsfasern aus dem Matrixmaterial ist nach der Aushärtung quasi unmöglich ohne die Verstärkungsfaser zu schädigen.The technology disclosed herein relates to a pressure vessel and a method of making, recycling or repairing a pressure vessel. Pressure vessels as such are known. As reinforcement, they have a fiber-reinforced layer whose matrix material consists of duroplastic or elastomer. Elastomers have inferior mechanical properties. Therefore, pressure vessels with a thermoplastic reinforcement with the same pressure resistance more fiber layers than pressure vessel with a thermosetting armor. This ultimately leads to a higher space requirement and a higher weight. For this reason, nowadays mainly duroplastics reinforcements are used. A disadvantage of such Duroplast-armor is that they can hardly be repaired and reused. The reason for this is that this resin does not melt at temperatures above 100 ° C, but burns. A separation of the reinforcing fibers from the matrix material is virtually impossible after curing without damaging the reinforcing fiber.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen Druckbehälter mit einer Armierung bereitzustellen, die einerseits gute mechanische Eigenschaften aufweist und andererseits sich zumindest teilweise reparieren bzw. wiederverwenden lässt. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to provide a pressure vessel with a reinforcement which on the one hand has good mechanical properties and on the other hand can be at least partially repaired or reused. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Der Druckbehälter dient hier zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.The pressure vessel is used here for storing gaseous fuel under ambient conditions. The pressure vessel may be used, for example, in a motor vehicle (e.g., passenger cars, motorcycles, utility vehicles) operated with compressed natural gas (CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.The pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (= CcH2 or COP) or a high-pressure gas vessel (= CGH2). High-pressure gas containers are designed to store fuel at ambient temperatures permanently at a nominal operating pressure (also called nominal working pressure or NWP) of about 350 bar (= overpressure relative to the atmospheric pressure), furthermore preferably of about 700 bar or more. A cryogenic pressure vessel is suitable to store the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures well below the operating temperature of the motor vehicle.
Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner bzw. ein Brennstoffspeichervolumen zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht ist insbesondere im Mantelbereich und im Bereich der kappenförmigen Enden vorgesehen. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. The pressure vessel comprises at least one fiber-reinforced layer. The fiber-reinforced layer may preferably completely surround a liner or a fuel storage volume at least in regions. The fiber-reinforced layer is provided in particular in the jacket region and in the region of the cap-shaped ends. The fiber reinforced layer is often referred to as a laminate or armor.
Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (=FVK bzw. FKV oder carbon fibre reinforced plastics bzw. CFRP) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (=CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (=GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix bzw. Harzsytem bzw. Matrixmaterial eingebettete Verstärkungsfasern (z.B. Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern, etc). Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen bzw. Schichten auf.Hereinafter, the term "fiber-reinforced layer" is usually used. As a fiber reinforced layer i.d.R. fiber reinforced plastics (= FVK or FKV or carbon fiber reinforced plastics or CFRP) are used, for example carbon fiber reinforced plastics (= CFRP) and / or glass fiber reinforced plastics (= GRP). The fiber-reinforced layer suitably comprises reinforcing fibers (e.g., glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, etc.) embedded in a resin matrix. In particular, matrix material, type and proportion of reinforcing fibers and their orientation can be varied so that the desired mechanical and / or chemical properties are established. Preferably, continuous fibers are used as reinforcing fibers, which can be applied by winding and / or braiding. The fiber reinforced layer has i.d.R. several layers or layers.
Die faserverstärkte Schicht umfasst mindestens zwei direkt oder indirekt übereinander angeordnete Schichten, wobei eine Schicht der übereinander angeordneten Schichten eine Thermoplast-Schicht ist, die ein thermoplastisches Matrixmaterial und Verstärkungsfasern aufweist; und wobei eine weitere Schicht der übereinander angeordneten Schichten eine Duroplast-Schicht ist, die ein duroplastisches Matrixmaterial und Verstärkungsfasern aufweist.The fiber-reinforced layer comprises at least two layers arranged directly or indirectly above one another, wherein a layer of the superimposed layers is a thermoplastic layer which comprises a thermoplastic matrix material and reinforcing fibers; and wherein another layer of the superposed layers is a thermoset layer comprising a thermosetting matrix material and reinforcing fibers.
Die Thermoplast-Schicht kann mehrere faserverstärkte Lagen umfassen. Dabei kann jede geeignete Verstärkungsfaser eingesetzt werden. Thermoplaste, auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die sogenannte thermische Zersetzung des Materials einsetzt. Darin unterscheiden sich Thermoplaste von den Duroplasten und Elastomeren.The thermoplastic layer may comprise a plurality of fiber reinforced layers. Any suitable reinforcing fiber may be used. Thermoplastics, also known as plastomers, are plastics that can be deformed in a specific temperature range (thermo-plastic). This process is reversible, that is, it can be repeated as often as desired by cooling and reheating to the molten state, as long as not using the so-called thermal decomposition of the material by overheating. This is where thermoplastics differ from thermosets and elastomers.
Auch die Duroplast-Schicht kann mehrere faserverstärkte Lagen umfassen. Duroplaste, auch Duromere oder gehärtetes Kunstharz genannt, sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können. Sie enthalten harte, amorphe, unlösliche Polymere. Die Makromoleküle sind über kovalente Bindungen engmaschig vernetzt, was ihre fehlende Erweichung beim Erhitzen verursacht, daher sind sie nach der Aushärtung nur spanabhebend bearbeitbar. Die Vorprodukte sind tri- oder mehrfunktionelle Verbindungen, die mit Hilfe von Härtern und evtl. Katalysatoren oder durch hohe Temperaturen polymerisieren und zu einer engmaschigen Vernetzung führen. In Analogie zu den schmelzbaren Thermoplasten werden die nach erfolgter Aushärtung nicht mehr schmelzbaren Duroplaste auch Thermodure genannt. Die englische Bezeichnung ist „thermosetting resin“ oder kurz „thermoset“, also „thermisch aushärtendes Harz“. Als duroplastisches Matrixmaterial kann beispielsweise ein Epoxid-Harz eingesetzt werden.The thermoset layer may also comprise a plurality of fiber-reinforced layers. Thermosets, too Duromere or hardened synthetic resin called, are plastics, which can not be deformed after their hardening by heating or other measures. They contain hard, amorphous, insoluble polymers. The macromolecules are tightly cross-linked via covalent bonds, which causes their lack of softening when heated, so they are only machinable after curing. The precursors are trifunctional or polyfunctional compounds which polymerize with the aid of hardeners and possibly catalysts or by high temperatures and lead to a close-meshed cross-linking. In analogy to the meltable thermoplastics, the thermosets that are no longer fusible after curing are also called thermo polymers. The English name is "thermosetting resin" or short "thermoset", ie "thermosetting resin". As a thermosetting matrix material, for example, an epoxy resin can be used.
Die übereinander angeordneten Schichten können direkt oder indirekt übereinander angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Zwischenschicht zwischen der hier offenbarten Thermoplast-Schicht und der Duroplast-Schicht vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Thermoplast-Schicht eine Innenschicht sein, die durch eine Breather-Layer von einer Duroplast-Schicht als Außenschicht getrennt ist.The superimposed layers can be arranged directly or indirectly above one another. For example, an intermediate layer may be provided between the thermoplastic layer disclosed herein and the thermoset layer. For example, the thermoplastic layer may be an inner layer separated by a breather layer from a thermoset layer as an outer layer.
Die Reihenfolge der beiden hier offenbarten Schichten (d.h. Thermoplast-Schicht, Duroplast-Schicht) im Schichtverbund der faserverstärkten Schicht kann vertauscht werden.The order of the two layers disclosed herein (i.e., thermoplastic layer, thermoset layer) in the laminate of the fiber reinforced layer can be reversed.
Gemäß der hier offenbarten Technologie soll die Innenschicht die Faserlagen umfassen, die in radialer Richtung weiter innen liegen als die Faserlagen der Außenschicht, die die Innenschicht bedecken bzw. umgeben.According to the technology disclosed herein, the inner layer should comprise the fiber layers lying radially inward more than the outer layer fiber layers covering the inner layer.
In einer Ausgestaltung ist die Duroplast-Schicht die Innenschicht und die Thermoplast-Schicht ist die Außenschicht, die die Innenschicht zumindest bereichsweise umschließt. Vorteilhaft an einer solchen Ausgestaltung ist, dass sich die Außenschicht somit besser reparieren lässt. Bei einer Beschädigung kann der komplette Druckbehältertausch je nach Ausmaß der Beschädigung vermieden werden. Auch gestaltet sich bei einem solchen Schichtenaufbau die Wiederverwertung leichter, da die äußeren Schichten leichter erwärmt und entfernt werden können.In one embodiment, the thermoset layer is the inner layer and the thermoplastic layer is the outer layer, which encloses the inner layer at least partially. An advantage of such a configuration is that the outer layer can thus be better repaired. If damaged, the complete replacement of the pressure vessel can be avoided, depending on the extent of the damage. Also, with such a layer construction, recycling is easier because the outer layers are easier to heat and remove.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Thermoplast-Schicht die Innenschicht und die Duroplast-Schicht bildet die Außenschicht aus, die die Innenschicht zumindest bereichsweise umschließt. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass im verbauten Zustand etwaige Wärmeeinwirkungen im Störfall die thermoplastische Matrix nicht oder weniger schwächen. Ferner kann die Thermoplast-Schicht einen Schutz gegen Brennstoff-Permeation ausbilden.In a further embodiment, the thermoplastic layer is the inner layer and the thermoset layer forms the outer layer, which encloses the inner layer at least partially. An advantage of this embodiment is that in the installed state any heat in the event of failure, the thermoplastic matrix weaken or less. Furthermore, the thermoplastic layer can provide protection against fuel permeation.
Bevorzugt macht die Thermoplast-Schicht
- - zwischen 20% und 80%; oder
- - zwischen 40% und 60%; oder
- - zwischen 45% und 55%
- - between 20% and 80%; or
- - between 40% and 60%; or
- - between 45% and 55%
Vorteilhaft kann die Außenschicht, eine höhere Steifigkeit in Umfangsrichtung aufweisen als die Innenschicht, und zwar unabhängig davon, ob duroplastisches oder thermoplastisches Matrixmaterial eingesetzt wird.Advantageously, the outer layer, a higher stiffness in the circumferential direction than the inner layer, regardless of whether thermosetting or thermoplastic matrix material is used.
Die Steifigkeit der Außenschicht und der Innenschicht in Umfangsrichtung kann beispielsweise eingestellt werden durch Variation von:
- - mechanische Eigenschaften der Verstärkungsfasern;
- - Fasergehalt der Verstärkungsfasern; und/oder
- - Faserwinkel der Verstärkungsfasern;
- - etc.
- - mechanical properties of the reinforcing fibers;
- - fiber content of the reinforcing fibers; and or
- - fiber angle of the reinforcing fibers;
- - Etc.
Das Einstellen der Steifigkeit kann durch vorbekannte Auslegungstools vorgenommen werden und ist dem Fachmann geläufig.The adjustment of the rigidity can be carried out by known design tools and is familiar to the expert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Duroplast-Schicht eingerichtet, mindestens 80% oder mindestens 90% oder 100% der Drucklasten zu kompensieren, die beim nominalen Betriebsdruck oder beim maximalen Betriebsdruck (maximum operating pressure oder MOP) auftreten können.In a preferred embodiment, the thermoset layer is configured to compensate for at least 80% or at least 90% or 100% of the pressure loads that may occur at nominal operating pressure or at maximum operating pressure (MOP).
Die faserverstärkte Schicht, insbesondere die Duroplast-Schicht und/oder die Thermoplast-Schicht, weist i.d.R. Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen (engl. helical layers) gewickelt bzw. geflochten. Im i.d.R. zylindrischen Umfangsbereich sind i.d.R. sogenannte Umfangslagen (engl. „hoop layers“) vorgesehen, die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Faserwinkel von ca. 90° (+/- 5°) zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert.The fiber-reinforced layer, in particular the thermoset layer and / or the thermoplastic layer, has i.d.R. Cross and peripheral layers on. In order to compensate for axial stresses, cross layers (helical layers) are wound or braided over the entire winding core surface. In the i.d.R. cylindrical peripheral area are i.d.R. so-called "hoop layers", which provide for a reinforcement in the circumferential direction. The circumferential positions extend in the circumferential direction U of the pressure vessel and are oriented in a fiber angle of about 90 ° (+/- 5 °) to the pressure vessel longitudinal axis A-A.
Die Faserlage können unidirektionale Faserlagen sein. Eine unidirektionale Faserlage ist die Bezeichnung für eine Schicht eines Faser-Kunststoff-Verbunds, in welcher bevorzugt alle Verstärkungsfasern bzw. Rovings oder im Wesentlichen alle Verstärkungsfasern bzw. Rovings (d.h. bis auf Fertigungstoleranzen oder bis auf eine für die Funktion vernachlässigbar geringe Anzahl) in eine einzige Richtung orientiert sind. Die Verstärkungsfasern werden dabei als ideal parallel und als senkrecht zur Faserrichtung homogen verteilt angenommen. Die unidirektionale Schicht ist transversal isotrop. Vorteilhaft können mindestens zwei Lagen der faserverstärkten Schicht in einem ausgeglichenen Winkelverbund (AWV, engl. „Balanced Ply Laminate“) angeordnet sein. Ein ausgeglichener Winkelverbund kann als ein Verbund aus zwei unidirektionalen Lagen beschrieben werden, wobei neben dem Gelege auch bspw. Gewebe und gewickelte Kreuzlagen dafür infrage kommen. Die Verstärkungsfasern bzw. Rovings dieser unidirektionalen Lagen weisen Faserwinkel zur Gewebenormale bzw. Längsachse A-A auf, die einen gleichen Betrag aber unterschiedliche Vorzeichen haben. Der Faserwinkel gibt an, in welchem Winkel die Verstärkungsfasern relativ zur Druckbehälterlängsachse orientiert sind. Werden die Verstärkungsfasern im Wickelverfahren abgelegt, so wird dieser Winkel auch als Wickelwinkel bezeichnet. Im Flechtverfahren wird entsprechend die Bezeichnung Flechtwinkel verwendet. Ganz allgemein könnte man auch vom Ablagewinkel sprechen. Der Faserwinkel ist somit der Komplementärwinkel zu dem Winkel, den die Verstärkungsfasern mit der Umfangsrichtung ausbilden.The fiber layer can be unidirectional fiber layers. A unidirectional fiber layer is the name for a layer of a fiber-plastic composite, in which preferably all Reinforcing fibers or rovings or substantially all reinforcing fibers or rovings (ie, except for manufacturing tolerances or to a negligible for the function number) are oriented in a single direction. The reinforcing fibers are assumed to be ideally parallel and perpendicular to the grain direction. The unidirectional layer is transversely isotropic. Advantageously, at least two layers of the fiber-reinforced layer can be arranged in a balanced angle composite (AWV, English: Balanced Ply Laminate). A balanced angle composite can be described as a composite of two unidirectional layers, whereby in addition to the scrim also, for example, tissue and wound cross-layers come into question. The reinforcing fibers or rovings of these unidirectional layers have fiber angles to the tissue normal or longitudinal axis AA, which have the same amount but different signs. The fiber angle indicates the angle at which the reinforcing fibers are oriented relative to the pressure vessel longitudinal axis. If the reinforcing fibers are deposited in the winding process, this angle is also referred to as the winding angle. In braiding the term braiding is used accordingly. In general, one could also speak of the shelf angle. The fiber angle is thus the complementary angle to the angle that the reinforcing fibers form with the circumferential direction.
In einer Ausgestaltung kann die Thermoplast-Schicht eingerichtet sein, die Brennstoff-Permeation zu verhindern. Hierzu können insbesondere mehrere Faserlagen übereinander dichtend angeordnet, insbesondere gewickelt werden, bevorzugt unter Verwendung von Towpregs.In one embodiment, the thermoplastic layer may be configured to prevent fuel permeation. For this purpose, in particular a plurality of fiber layers can be arranged one above the other sealingly, in particular wound, preferably using towpregs.
Der Druckbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Es kann ebenso auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.The pressure vessel may include a liner. The liner forms the hollow body in which the fuel is stored. The liner may for example be made of aluminum or steel or of their alloys. Further preferably, the liner may be made of a plastic. It may also be provided a linerless pressure vessel.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere des hier offenbarten Druckbehälters. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach die faserverstärkte Schicht ausgebildet wird, beispielsweise mittels Flechten und/oder Wickeln. Die Ausbildung der faserverstärkten Schicht kann den Schritt umfassen: Ausbilden von zwei übereinander angeordnete Schichten; wobei eine Schicht der zwei übereinander angeordneten Schichten eine Thermoplast-Schicht mit einem thermoplastische Matrixmaterial und Verstärkungsfasern ist; und wobei eine weitere Schicht der zwei übereinander angeordneten Schichten eine Duroplast-Schicht mit einem duroplastischen Matrixmaterial und Verstärkungsfasern ist.The technology disclosed herein further includes a method of manufacturing a pressure vessel, particularly the pressure vessel disclosed herein. The method comprises the step of forming the fiber-reinforced layer by, for example, braiding and / or winding. The formation of the fiber reinforced layer may include the step of forming two superposed layers; wherein a layer of the two superposed layers is a thermoplastic layer comprising a thermoplastic matrix material and reinforcing fibers; and wherein another layer of the two superimposed layers is a thermoset layer comprising a thermosetting matrix material and reinforcing fibers.
Das hier offenbarte Verfahren kann die Schritte aufweisen:
- - Ausbilden der Duroplast-Schicht als Innenschicht; und
- - Ausbilden der Thermoplast-Schicht als Außenschicht ist, die die Innenschicht zumindest bereichsweise umschließt.
- - Forming the thermoset layer as an inner layer; and
- - Forming the thermoplastic layer as an outer layer, which encloses the inner layer at least partially.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Reparatur eines Druckbehälters, insbesondere des hier offenbarten Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Zumindest teilweises Entfernen der Thermoplast-Schicht; und
- - Zumindest teilweises Ausbilden einer neuen Thermoplast-Schicht.
- - At least partial removal of the thermoplastic layer; and
- - At least partially forming a new thermoplastic layer.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Wiederverwendung eines Druckbehälters, insbesondere des hier offenbarten Druckbehälters, umfassend die Schritte:
- - zumindest teilweises Entfernen der Thermoplast-Schicht (
122 ); und - - zumindest teilweises Ausbilden eines neuen thermoplastischen Bauteils aus dem entfernten Verstärkungsfasern und/oder Matrixmaterial.
- at least partial removal of the thermoplastic layer (
122 ); and - - At least partially forming a new thermoplastic component of the removed reinforcing fibers and / or matrix material.
Das neue thermoplastische Bauteil kann dabei jede geeignete Form bzw. Funktion aufweisen und für jeden geeigneten Zweck eingesetzt werden. Insbesondere können die hier offenbarten Verfahren zur Wiederverwertung und zur Reparatur auch kombiniert werden.The new thermoplastic component can have any suitable form or function and can be used for any suitable purpose. In particular, the methods of recycling and repair disclosed herein may also be combined.
Das zumindest teilweise Entfernen der Thermoplast-Schicht kann den Schritt umfassen: Erwärmen vom thermoplastischen Matrixmaterial auf eine Temperatur,
- i) die höher ist als die Schmelztemperatur vom Matrixmaterial der Thermoplast-Schicht, und
- ii) die niedriger ist als die Glasübergangstemperatur und/oder Brenntemperatur vom duroplastischen Matrixmaterial der Duroplast-Schicht.
- i) which is higher than the melting temperature of the matrix material of the thermoplastic layer, and
- ii) which is lower than the glass transition temperature and / or firing temperature of the thermosetting matrix material of the thermoset layer.
Beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur geht ein festes Duromer in einen gummiartigen bis zähflüssigen Zustand über. Die Brenntemperatur ist die Temperatur, bei der das duroplastische Matrixmaterial anfängt zu brennen.When the glass transition temperature is exceeded, a solid thermoset goes into a rubbery to viscous state. The firing temperature is the temperature at which the thermosetting matrix material begins to burn.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Idee, eine Hybrid-Armierung eines Drucktanks herzustellen. Die innere Struktur der Armierung (faserverstärkte Lagen in der Nähe vom Liner bzw. Brennstoffspeichervolumen) wird mit einem Duroplast-Harz hergestellt (bevorzugt Flechten und/oder Wickeln). Diese Armierung ist die Kern-Armierung des Drucktanks, die bessere mechanische Eigenschaften (Festigkeit) als die Thermoplast-Schicht hat. Diese Armierung ist vorteilhaft so ausgelegt, dass sie den nominalen Betriebsdruck bzw. den maximalen Betriebsdruck bzw. einen Innendruck von mindestens 875bar oder 1000bar beschädigungsfrei aushalten kann. Die äußere Struktur der Armierung (faserverstärkte Lagen, die auf der (i.d.R. ausgehärteten) inneren Struktur der Armierung aufgebracht werden) wird mit Thermoplast gefertigt (z.B. durch Flechten und/oder Wickeln). In dieser Konfiguration ist bevorzugt ca. die Hälfte der faserverstärkten Armierung aus Duroplast und die andere Hälfte aus Thermoplast ausgebildet. Vorteilhaft kann die Hälfte der Armierung (Thermoplast) einfacher wiederverwendet werden.
In der Regel wird die äußere Struktur eines Drucktanks bzw. der FVK-Armierung mehr beschädigt als die innere Struktur (wegen Impact, Brand, Chemikalien, Schnitte, Abrieb, Crash ...). Wenn eine äußere Struktur aus Thermoplast-Harz beschädigt wurde (keine Schäden in der inneren Struktur aus Duroplast wurde festgestellt), könnten man diese aus dem Druckbehälterentfernen. Das Thermoplast-Harz wird erhitzt (zw. 100 °C und 200 °C) und wird flüssig. Nur die Verstärkungsfasern bleiben auf der inneren Armierung übrig und diese können sehr einfach entfernt werden und wiederverwendet werden. Eine neue äußere Struktur mit Thermoplast-Harz und Verstärkungsfasern kann gewickelt werden und der Druckbehälter kann bis zum Ende seiner festgelegten Lebensdauer weiterverwendet werden. Hierzu muss lediglich zumindest die Außenschicht auf eine Temperatur erwärmt werden,
- i) die größer ist als die Schmelztemperatur vom thermoplastischen Harz; und
- ii) die geringer ist als die Temperatur, bei der der Duroplast brennt.
In general, the outer structure of a pressure tank or the FVK reinforcement is more damaged than the internal structure (due to impact, fire, chemicals, cuts, abrasion, crash ...). If a thermoplastic resin outer structure has been damaged (no damage has been detected in the duroplastic inner structure), it could be removed from the pressure vessel. The thermoplastic resin is heated (between 100 ° C and 200 ° C) and becomes liquid. Only the reinforcing fibers remain on the inner reinforcement and these can be easily removed and reused. A new outer structure with thermoplastic resin and reinforcing fibers can be wound and the pressure vessel can continue to be used until the end of its specified life. For this purpose, at least the outer layer only has to be heated to a temperature,
- i) which is greater than the melting temperature of the thermoplastic resin; and
- ii) which is lower than the temperature at which the thermoset burns.
Mit der hier offenbarten Hybrid-Struktur kann vorteilhaft zumindest ein Teil vom Drucktank repariert bzw. wiederverwendet werden. Beispielsweise können Verstärkungsfasern einer thermoplastischen Außenschicht repariert werden. Dadurch können die Kosten im Service reduziert werden, da ein beschädigter Druckbehälter nicht mehr ausgetauscht werden muss. Durch Wegfall vom Druckbehälteraustausch und der teilweisen Wiederverwertung von unbrauchbaren Druckbehältern wird ein Beitrag zur Ressourcenschonung erbracht.With the hybrid structure disclosed here, advantageously at least a part of the pressure tank can be repaired or reused. For example, reinforcing fibers of a thermoplastic outer layer can be repaired. This can reduce the cost of service as a damaged pressure vessel no longer needs to be replaced. By eliminating the pressure vessel replacement and the partial recycling of unusable pressure vessels, a contribution to resource conservation is made.
Bevorzugt kann die äußere Struktur (=Außenschicht) bessere bzw. steifere Verstärkungsfasern aufweisen als die innere Struktur (=Innenschicht). Hierdurch kann die Steifigkeit der äußeren Lagen erhöht und die Spannungsstreuung über die Dicke der Druckbehälterwand reduziert werden. Da diese Verstärkungsfasern in der Regel teuer sind, könnten die aus der thermoplastischen Schicht wiedergewonnenen Verstärkungsfasern für andere Anwendungen verwendet werden, da diese von dem Thermoplast-Harz getrennt werden können.Preferably, the outer structure (= outer layer) may have better or stiffer reinforcing fibers than the inner structure (= inner layer). As a result, the rigidity of the outer layers can be increased and the stress distribution over the thickness of the pressure vessel wall can be reduced. Since these reinforcing fibers are usually expensive, the reinforcing fibers recovered from the thermoplastic layer could be used for other applications because they can be separated from the thermoplastic resin.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Querschnittsansicht der
Die
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
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