DE112006002717B4 - Gastank und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Gastank mit einer als eine innere Gasbarrierehülle ausgebildeten Innenhülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle bedeckt, und die aus einem druckbeständigen FRP besteht, wobei die Außenhülle Verstärkungsfaserbündel (A), ein duroplastisches Harz (B) und Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), die im duroplastischen Harz (B) gleichmäßig dispergiert sind, so in den Verstärkungsfaserbündeln (A) imprägniert sind und vorliegen.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gastank nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Gastanks. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung einen Gastank, der für einen Einbau in Kraftfahrzeuge und dergleichen geeignet ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Technischer Hintergrund
  • Seit einigen Jahren werden Gastanks (Gaszylinder), die Wasserstoff oder Erdgas enthalten, der bzw. das als Brennstoff für die Stromerzeugung dient, in Kraftfahrzeugen, Häusern, Transportmaschinen und dergleichen verwendet.
  • Beispielsweise werden Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen zunehmend interessant als Leistungsquelle für Kraftfahrzeuge. Wenn solche Brennstoffzellen für die Stromerzeugung verwendet werden, wird eine elektrochemische Reaktion durch die Zuführung eines Brenngases (z. B. Wasserstoffgas) zu einer Gasdiffusions-Elektrodenschicht, die auf einer Seite jeder Brennstoffzelle vorgesehen ist, und die Zuführung eines Oxidationsgases (z. B. sauerstoffhaltiger Luft) zu einer Gasdiffusions-Elektrodenschicht, die auf der jeweils anderen Seite vorgesehen ist, induziert. Bei dieser Stromerzeugung wird ausschließlich ungiftiges Wasser erzeugt. Somit werden die genannten Brennstoffzellen unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung und des Nutzungsgrads zunehmend interessant.
  • Um einem Kraftfahrzeug, das mit den genannten Brennstoffzellen ausgestattet ist, kontinuierlich Gas, wie z. B. Wasserstoffgas, zuführen zu können, wird ein Brenngas in einem Gastank im Fahrzeug vorrätig gehalten. Beispiele für Wasserstoffgastanks in Fahrzeugen, die untersucht wurden, schließen einen Gastank ein, der unter Druck stehenden Wasserstoff enthält, und einen Wasserstoffspeicherungs-Gastank, der Wasserstoff in einem Zustand der Absorption in Metallhydrid (MH) enthält.
  • Unter diesen wurde ein Tank aus CFRP (Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff) für die Verwendung als Gastank, der in einem Fahrzeug unter Druck stehenden Wasserstoff speichert, untersucht. Ein CFRP-Tank wird so aufgebaut, dass eine Auskleidungsschicht (Innenhülle), die dafür sorgt, dass der Tank seine Luftdichtigkeitseigenschaften behält, innerhalb einer Schicht (Außenhülle: faserverstärkte Schicht), die einen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff (ein CFRP-Material) umfasst, ausgebildet wird. Dieser CFRP-Tank ist fester als ein Tank, der aus einer gewöhnlichen Art von Kunststoff besteht, und seine Druckbeständigkeit ist ausgezeichnet, so dass er bevorzugt als Brenngastank verwendet wird.
  • Außerdem beinhaltet ein bekanntes Verfahren für die Herstellung eines CFRP-Tanks ein Verfahren zur Erzeugung eines CFRP-Tanks durch Wickeln eines CFRP-Materials in Form einer Kohlenstoff-Endlosfaser um eine Auskleidungsschicht, die in Behälterform ausgebildet ist (Filamentwickelverfahren). Da Kohlenstofffasern in der Faserrichtung fest und starr sind, kann die Festigkeit eines Tanks dadurch verbessert werden, dass ein CFRP-Material auf die oben beschriebene Weise gewickelt wird.
  • Für die Zwecke der Brennstoffspeicherung wird indessen ein druckbeständiger Tank in ein Kraftfahrzeug eingebaut, für das ein Flüssiggas, wie unter hohem Druck stehendes Gas (Erdgas) oder Propan als Brennstoff verwendet wird. Im Allgemeinen bestehen im Handel erhältliche und in großem Umfang verwendete druckbeständige Tanks aus Metallen, wie Stahl und Aluminium. Jedoch sind aus Metall bestehende druckbeständige Tanks dick und schwer. Somit sind sie nicht nur schwer zu bearbeiten und potentiell gefährlich, sondern es ist auch eine große Menge an Energie für den Transport solcher Tanks nötig, was zu einer Verringerung der Reichweite eines Fahrzeugs führt. Dies ist ungünstig. Ferner beträgt der Brennwert pro Gewichtseinheit von Brenngas fast die Hälfte von dem von Benzin. Um die Strecke, die ein Gasfahrzeug zurücklegen kann ohne zu tanken, in einem Maß zu erhöhen, dass diese mit dem Fall eines im Handel erhältlichen benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs vergleichbar wird, muss somit mehr Brenngasgewicht als Benzingewicht zugeführt werden, was problematisch ist.
  • Um eine Gewichtsreduktion zu erreichen, wurde ein Gastank mit einer aus Aluminium oder Kunststoff bestehenden Innenhülle und einer Außenhülle, welche die Innenhülle bedeckt und aus druckbeständigem FRP (faserverstärktem Kunststoff) besteht, entwickelt. Ein solcher Gastank besteht im Wesentlichen aus Kunststoff und ist somit viel leichter als ein aus Metall bestehender Gastank. Daher ist zu erwarten, dass die Reichweite unter Verwendung des genannten Gastanks als Erdgastank für Kraftfahrzeuge verbessert werden kann. Jedoch macht das Gewicht der Außenhülle den größten Teil des Gewichts eines Tanks aus. Somit ist ein Tank mit einer Außenhülle mit minimiertem Gewicht vorzuziehen, da ein solcher Tank leichter ist als andere Tanks. Unter Verwendung eines solchen Tanks kann ferner nicht nur die Reichweite verbessert werden, sondern es ist auch eine Verringerung der Abnutzungskosten für den Abrieb der Reifen und Bremsschuhe, eine arbeitssparende Handhabung der Zylinder und eine Senkung der Unfallzahlen zu erwarten.
  • Jedoch ist FRP brüchiger als andere Metalle und könnte daher einer Entstehung von Rissen und dergleichen unterliegen, wenn es einer großen Aufschlagkraft von außen ausgesetzt wird. Eine Rissfortpflanzung kann zu einer scharfen Herabsetzung der Druckbeständigkeit und der Festigkeit einer aus FRP bestehenden Außenhülle führen. Außerdem werden auch dann, wenn ein anscheinend nur kleiner Riss vorhanden ist, Risse und Schäden in Verstärkungsfasern aufgrund einer wiederholten Einwirkung einer Aufschlagkraft erweitert, was zu einer Verringerung der Druckbeständigkeit und Festigkeit führen könnte.
  • So offenbart die JP-Patentveröffentlichung (Kokai) JP 8219386 A (1996) einen Gastank mit einer Gasbarriere-Innenhülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle bedeckt, und die aus druckbeständigem FRP besteht, wobei diese Außenhülle Verstärkungsfaserbündel [A], ein gehärtetes Material aus duroplastischem Harz [B] und ein Elastomer und/oder thermoplastisches Harz [C] umfasst, mit der Maßgabe, dass das Elastomer und/oder thermoplastische Harz [C] sich in einem Querschnitt der Außenhülle am Außenumfang des Verstärkungsfaserbündels [A] befindet. Dieser Gastank wurde verwirklicht, um der aus FRP bestehenden Außenhülle Zähigkeit zu verleihen, um die Beständigkeit gegen hohen Druck aufrechtzuerhalten und um die Fortpflanzung von Rissen und Schäden in den Verstärkungsfasern zu verhindern, um so die Schlagbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern. Der in der JP-Patentveröffentlichung (Kokai) JP 8219386 A (1996) offenbarte Gastank beruht auf einer Technik zur Verwirklichung eines CNG-Druckbehälters. Gemäß dieser Technik wird die Zähigkeit eines Matrixharzes auf solche Weise verbessert, dass die Risserweiterung in FRP, die von einem Schlag induziert wird, unter der Annahme, dass ein Schlag auf das FRP wirkt und dass ein Schlag wiederholt auf das FRP wirkt, verhindert wird. Als Mittel zur Verbesserung der Zähigkeit wird ein thermoplastisches Polymer verwendet. Die gewünschte Festigkeit kann insbesondere unter Verwendung der thermoplastischen Polyester- oder Polyamidelastomer-Polymere erhalten werden.
  • Jedoch befindet sich im Falle eines Gastanks, der in der JP-Patentveröffentlichung (Kokai) JP 8219386 A (1996) offenbart ist, ein Elastomer und/oder thermoplastisches Harz [C] am Außenumfang der Verstärkungsfaserbündel [A], was zu den folgenden Problemen führt.
    • (1) Es kommt zu einer Delaminierung aufgrund einer schlechten Verträglichkeit zwischen einem duroplastischen Harz, das als Basisharz dient und das ein thermoplastisches Elastomer und Fasern enthält. Der Grund dafür ist, dass ein thermoplastisches Elastomer in einem Basisharz nicht ausreichend dispergiert, sondern lokal vorliegt, und zwar aufgrund eines Unterschieds zwischen einem thermoplastischen Harz, das als Elastomer verwendet wird, und einem duroplastischen Harz, das als Basisharz verwendet wird, so dass keine stabilen Eigenschaften erhalten werden können.
    • (2) Die Verwendung eines thermoplastischen Elastomers führt zu einer schlechten Imprägnierung der Fasern mit einem solchen Elastomer nach der Filamentwicklungs-(FW)Formung eines für hohen Druck ausgelegten Tanks. Der Grund dafür ist, dass die Einführung eines thermoplastischen Elastomers zu einer erhöhten Viskosität eines für die FW verwendeten Harzes führt, was zu einer schlechten Imprägnierung von Fasern mit diesem Elastomer führt.
    • (3) Die Zugabe eines thermoplastischen Elastomers führt zu einem herabgesetzten Glasübergangspunkt bzw. Glasübergangstemperatur (Tg) einer CFRP-Matrix an sich. Somit sinkt die Wärmebeständigkeit. Außerdem wird die annehmbare Wärmebeständigkeit eines Tanks, der als Behälter verwendet wird, nicht spezifiziert. Die Glasübergangstemperatur einer Elastomerkomponente ist im Allgemeinen niedrig, und somit kann die Wärmebeständigkeit, die einem Basisharz ursprünglich verliehen wurde, nicht aufrechterhalten werden. Ferner werden Hochtemperatur-Zyklustests als Umwelttests für einen Behälter durchgeführt. Somit ist es notwendig, die annehmbare Wärmebeständigkeit eines Matrixharzes zu beschreiben.
    • (4) Die Einführung eines thermoplastischen Polymers wird als Mittel zur Verhinderung von Brüchen, beispielsweise Rissen, in einem Behälter durchgeführt. Somit soll die Rissverhütung in einem für hohen Druck ausgelegten Behälter aus CFRP nicht die Gasdurchlässigkeit senken, beispielsweise dadurch, dass ein Gas, das aus einer Auskleidung austritt, isoliert wird.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Gastanks für ein unter hohem Druck stehendes Gas, der von ausgezeichneter Festigkeit und Wärmebeständigkeit ist, während er eine verringerte Gasdurchlässigkeit aufweist, sowie eines Verfahrens für dessen Herstellung. Genauer ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gastank zu schaffen, der eine Wasserstoffdurchlässigkeit aufweist, die auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt ist, und der Umwelttests bestanden hat, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
  • Lösung der Aufgabe und Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
  • Die Erfinder haben gefunden, dass die genannten Ziele dadurch erreicht werden können, dass man Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), die in einem duroplastischen Harz (B) dispergiert wurden, in Verstärkungsfaserbündeln (A) sein lässt, ohne zuzulassen, dass die Elastomerteilchen und/oder die Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) sich lokal am Außenumfang des Verstärkungsfaserbündels (A) anordnen. Ferner haben sie gefunden, dass starke Korrelationen zwischen dem Bruchzähigkeitswert einer Matrixkomponente und der Gasdurchlässigkeit und zwischen dem Bruchzähigkeitswert einer Matrixkomponente und der CFRP-Biegefestigkeit bestehen. Dies hat zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geführt.
  • Genauer betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt einem Gastank mit einer inneren Gasbarrierehülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle abdeckt, und die aus einem druckbeständigen FRP besteht. Die Außenhülle besteht aus Verstärkungsfaserbündeln (A), einem duroplastischen Harz (B) und Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), vorausgesetzt, die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), die in einem duroplastischen Harz (B) dispergiert wurden, liegen in Verstärkungsfaserbündeln (A) vor. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) vorzugsweise so in einem duroplastischen Harz (B) dispergiert, dass das Ergebnis eine Sea-Island-Struktur aufweist. Mit einer solchen Struktur ist es möglich, eine Abnahme der Wärmebeständigkeit und der mechanischen Festigkeit eines duroplastischen Harzes zu verhindern, auch nachdem diesem Zähigkeit verliehen wurde. Im Falle des Gastanks der vorliegenden Erfindung absorbieren oder verteilen außerdem Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz, die gleichmäßig in einer FRP-Schicht dispergiert sind, von außen angelegte Spannungen, so dass eine Rissentstehung verhindert wird und die Zähigkeit verbessert wird, und so dass die Gasdurchlässigkeit durch eine innere Hülle hindurch auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt wird.
  • Es bestehen starke Korrelationen zwischen dem Bruchzähigkeitswert einer Matrixkomponente und der Gasdurchlässigkeit und zwischen dem Bruchzähigkeitswert einer Matrixkomponente und der CFRP-Biegefestigkeit. Genauer liegt im Falle des Gastanks der vorliegenden Erfindung der Bruchzähigkeitswert einer duroplastischen Harzzusammensetzung, die duroplastisches Harz (B) und die oben beschriebenen Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) enthält, vorzugsweise bei 0,5 MPa0,5 bis 3,0 MPa0,5 und stärker bevorzugt bei 0,7 MPa0,5 bis 1,5 MPa0,5. Wenn der Bruchzähigkeitswert 0,5 MPa0,5 oder mehr ist, wird die Gasdurchlässigkeit ausreichend gesenkt. Wenn der Bruchzähigkeitswert 3,0 MPa0,5 oder weniger ist, kann der Gastank den Umwelttest bestehen. Außerdem werden Umwelttests nachstehend ausführlich beschrieben.
  • Im Falle des Gastanks der vorliegenden Erfindung enthält eine duroplastische Harzzusammensetzung, die das duroplastische Harz (B) und die oben beschriebenen Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) enthält, Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einer Menge von vorzugsweise 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% und stärker bevorzugt von 2,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-%. Bei einer Menge von 0,5 Gew.-% oder mehr kann die Gasdurchlässigkeit ausreichend gesenkt werden. Bei einer Menge von 10 Gew.-% oder weniger kann der Tank Umwelttests bestehen.
  • Die oben genannten Elastomerteilchen (C) sind nicht besonders beschränkt. Jedoch handelt es sich bei diesen Teilchen vorzugsweise um vernetzte, feine Elastomerteilchen. Genauer handelt es sich bei den Elastomerteilchen vorzugsweise um vernetzte, feine Nitril-Kautschuk(NBR)-Teilchen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einer duroplastischen Harzzusammensetzung, die das duroplastische Harz (B) und die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) enthält, die Haftung zwischen einer Harzphase und den Teilchen verbessert, wenn die durchschnittliche Teilchengröße jedes der Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) 0,05 μm (50 nm) bis 0,5 μm ist. Eine solche Verbesserung ist wirksam, um Risse in einem duroplastischen Harz zu verhindern. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße unter 0,05 μm (50 nm) liegt, steigt die Viskosität eines duroplastischen Harzes, was zu einer schlechten Imprägnierung von Verstärkungsfaserbündeln führt. Außerdem kann, wenn die Teilchengröße 0,5 μm übersteigt, keine für die Verringerung der Gasdurchlässigkeit ausreichende Zähigkeit erhalten werden.
  • Ein duroplastisches Harz, das für eine Außenhülle des Gastanks der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht besonders beschränkt. Jedoch ist ein bevorzugtes Beispiel dafür Bisphenol F-Epoxidharz.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des genannten Gastanks mit einer inneren Gasbarrierehülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass die Innenhülle bedeckt ist, und die aus einem druckbeständigen FRP besteht. Ein solches Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenhülle, in der Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in den Verstärkungsfaserbündeln (A) vorliegen, um eine Innenhülle herum ausgebildet wird, wobei diese Außenhülle durch Imprägnieren von Verstärkungsfaserbündeln (A) mit einem duroplastischen Harz (B), in dem Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) dispergiert sind, erhalten wird.
  • Es ist möglich, Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) entweder einem Basisharz oder einem Härtungsmittel, das für ein duroplastisches Harz (B) verwendet wird, zuzusetzen. Vorzugsweise werden die Teilchen jedoch einem Basisharz zugegeben, so dass sie sich bereitwillig dispergieren lassen. Es ist notwendig, dass Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einem duroplastischen Harz (B) gleichmäßig dispergiert werden. Für die Dispergierung von Teilchen wird vorzugsweise ein mechanisches Kneten mit einer Walze, einem Dissolver oder dergleichen durchgeführt. Um die Viskosität zu verringern, werden Teilchen ferner unter Wärme und/oder verringertem Druck umgerührt, um sie zu dispergieren.
  • Gemäß dem Verfahren zur Erzeugung eines Gastanks der vorliegenden Erfindung liegt der Bruchzähigkeitswert einer duroplastischen Harzzusammensetzung, welche das duroplastische Harz (B) und die oben beschriebenen Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) enthält, vorzugsweise bei 0,5 MPa0,5 bis 3,0 MPa0,5; enthält eine duroplastische Harzzusammensetzung, die das duroplastische Harz (B) und die oben beschriebenen Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) enthält, Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einer Menge von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%; sind die Elastomerteilchen (C) vorzugsweise vernetzte, feine Elastomerteilchen; sind die Elastomerteilchen (C) vorzugsweise vernetzte, feine Nitril-Kautschuk(NBR)-Teilchen; liegt die durchschnittliche Teilchengröße der einzelnen Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) vorzugsweise bei 0,05 μm (50 nm) bis 0,5 μm; und ist das duroplastische Harz (B) vorzugsweise Bisphenol F-Epoxidharz. Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Außenhülle auf solche Weise um eine Innenhülle herum geformt, dass Verstärkungsfaserbündel (A) mit einem duroplastischen Harz (B) imprägniert werden, in dem Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) dispergiert sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Außenhülle anhand eines Filamentwickel-(FW-)Verfahrens geformt wird.
  • In einem dritten Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung die Verwendung des genannten Gastanks. Bevorzugte Beispiele für den Gastank schließen einen Gastank ein, der mit Wasserstoffgas befüllt wird, einen Gastank, der mit flüssigem Erdgas befüllt wird, und einen Gastank, der mit flüssigem Propangas befüllt wird.
  • Was die Gasdurchlässigkeit betrifft, bei der es sich um einen wichtigen Faktor für die Eigenschaften eines Druckgastanks handelt, so wird gemäß der vorliegenden Erfindung das genannte Ziel dadurch erreicht, dass einem duroplastischen Harz, das für eine CFRP-Schicht verwendet wird, Zähigkeit verliehen wird. Genauer wird unter Verwendung eines Garn-Prepegs, das durch Imprägnieren von Verstärkungsfaserbündeln (A) mit einem duroplastischen Harz (B), in dem Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) dispergiert sind, gebildet wird, eine Außenhülle aus druckbeständigem FRP hergestellt. Infolgedessen wird es möglich, den Umfang der Wasserstoffdurchlässigkeit erheblich zu senken, was im Hinblick auf die Eigenschaften eines Behälters wichtig ist, der als Vorratstank dient, welcher beispielsweise mit Wasserstoff-Brennstoff für Brennstoffzellenautos verwendet wird, wobei dieser Wasserstoff unter hohem Druck verdichtet ist. Genauer ist bei Verwendung von Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einem duroplastischen Harz die Entstehung von feinen Rissen in FRP verringert, wenn ein solcher Tank dadurch verformt wird, dass ein Gasdruck von innen oder ein Schlag von außen auf ihn wirkt. Somit kann die Wasserstoff-Durchlässigkeit einer Innenhülle (Auskleidung) auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1A und 1B zeigen schematisch einen Rissfortpflanzungsmechanismus in einer Matrixphase.
  • 2 ist ein Graph, der Umwelttestergebnisse zeigt, die Bruchzähigkeitswerten entsprechen.
  • 3 ist ein Graph, der Umwelttestergebnisse zeigt, die der zugesetzten Menge an Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen entsprechen.
  • 4 ist ein Graph, der die Gasdurchlässigkeit auf der Basis des Bruchzähigkeitswerts zeigt.
  • 5 ist ein Graph, der die Gasdurchlässigkeit eines Drucktanks auf der Basis der zugesetzten Menge an Nitril-Kautschukteilchen zeigt.
  • Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
  • 1A und 1B zeigen schematisch einen Rissfortpflanzungsmechanismus in einer Matrixphase. 1A zeigt ein herkömmliches duroplastisches Harz, in dem keine Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) dispergiert sind. In diesem Fall pflanzen sich Risse, die zu Anfang erzeugt werden, sehr stark aus. Dagegen zeigt 1B das duroplastische Harz der vorliegenden Erfindung mit darin dispergierten Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C). Auch nach einer zu Anfang erfolgten Rissbildung bleibt eine gute Haftung zwischen Teilchen aus Elastomer und dergleichen und der duroplastischen Harzphase bestehen. Somit wird durch Teilchen aus Elastomer oder dergleichen eine Risserzeugung verhindert, und Risse pflanzen sich nicht sehr stark fort.
  • Mindestens eine Art von hochfesten Fasergarnen mit hohem Elastizitätsmodul, die aus den folgenden Beispielen ausgewählt ist, kann für den Tank der vorliegenden Erfindung als Verstärkungsfaser (Faser für CFRP), die hohe Festigkeit zeigt, verwendet werden: Kohlenstofffasergarne, Graphitfasergarne, Glasfasergarne und organische Fasern mit hohem Elastizitätsmodul (z. B. Polyamid- oder Polyethylenfasern). Unter diesen werden Kohlenstofffasern bevorzugt als Verstärkungsmaterial für einen Druckbehälter verwendet. Vorzugsweise werden 1.000 bis 50.000 Kohlenstoff-Endlosfasern und stärker bevorzugt 10.000 bis 30.000 Kohlenstoff-Endlosfasern verwendet.
  • Gemäß einem Verfahren, mit dem dem Tank (dem für hohen Druck ausgelegten Behälter) der vorliegenden Erfindung Zähigkeit verliehen wird, werden Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz zugesetzt und verwendet. Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz, die in ein Harz für FRP eingeführt wurden, das zur Imprägnierung verwendet wird, können eine Erweiterung von Brüchen verhindern, wenn es beispielsweise aufgrund von Spannungen, die bei Einwirkung einer Drucks von innen auf einen Druckbehälter entstehen, zu einer Entstehung von Rissen kommt, die zur Entstehung von Brüchen in FRP führen.
  • Vorzugsweise wird im Hinblick auf eine geeignete Gestaltung für FW ein Harz verwendet, welches eine Epoxidharzstruktur aufweist. Als Matrixharz, welches einen Bestandteil des FRP bildet, das für einen Druckbehälter verwendet wird, eignet sich im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und die mechanische Festigkeit Epoxidharz, bei dem es sich um einen duroplastischen Kunststoffbestandteil handelt Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Elastomerteilchen in Epoxidharz dispergiert, so dass einem gehärteten Material Zähigkeit verliehen wird.
  • Der Aufbau eines Matrixharzes wird nachstehend ausführlich beschrieben. Ein FRP-bildendes Harz, mit dem Fasern imprägniert werden, meint eine Epoxidharz-Zusammensetzung, die als wesentliche Bestandteile Epoxidharz, ein Härtungsmittel und vernetzte Kautschukteilchen, die als Zähigkeit verleihende Mittel dienen, umfasst. Vorzugsweise wird ein flüssiges Epoxidharz des Typs Bisphenol für eine solche Harzzusammensetzung verwendet. Der Grund dafür ist, dass ein flüssiges Bisphenol-Epoxidharz im Hinblick auf seine Haftung an Fasern, seine Viskosität und seine Tg ausgeglichene Eigenschaften aufweist. Es ist möglich, ein solches flüssiges Bisphenol-Epoxidharz beliebig aus denen auszuwählen, die bei einer Raumtemperatur von 25°C in flüssiger Form vorliegen. Besonders bevorzugt, jedoch ohne Beschränkung, handelt es sich im Hinblick auf die Faserimprägnierung bei solchen Harze um ein flüssiges Bisphenol F-Epoxidharz mit niedriger Viskosität. Gemäß der vorliegenden Erfindung können solche flüssigen Bisphenol F-Epoxidharze allein oder in Kombination von zweien oder mehreren verwendet werden.
  • Um die Tg zu verbessern, ist es möglich, ein cycloaliphatisches Epoxidharz, das bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt und in dem Epoxygruppen zu einem Ring kondensiert sind, in Kombination zu verwenden. Beispiele für cycloaliphatische Epoxidharze, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegen, und in denen die Epoxygruppen zu einem Ring kondensiert sind, schließen 3,4-Epoxycyclohexylmethyl(3,4-epoxy)cyclohexancarboxylat, Vinylcyclohexendioxid, Bis(3,4-epoxycyclohexylmethyl)adipat und dicycloaliphatisches Diesterepoxid ein.
  • Um zu bewirken, dass eine Harzzusammensetzung eine niedrige Viskosität hat, ist es ferner möglich, ein Epoxidharz mit niedriger Viskosität, ein sogenanntes reaktives Verdünnungsmittel, in Kombination zu verwenden. Beispiele für solche reaktiven Verdünnungsmittel schließen Monoglycidylether, Diglycidylether, Monoglycidylester und Diglycidylester ein, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegen.
  • Spezielle Beispiele für solche reaktiven Verdünnungsmittel schließen Neopentylglycoldiglycidylether, 1,6-Hexandioldiglycidylether und Neodecansäureglycidylester ein.
  • Als Härtungsmittel, das für eine Harzzusammensetzung verwendet wird, kann ein Härtungsmittel, das im Allgemeinen für Epoxidharz verwendet wird, verwendet werden. Beispiele dafür schließen allgemein bekannte organische Verbindungen ein, die funktionelle Gruppen, wie Cabonsäureanhydridgruppen, Carboxylgruppen, Carbonsäurehydrazidgruppen, Aminogruppen, Hydroxylgruppen und Mercaptogruppen, enthalten. Genauer werden zweckmäßigerweise Säureanhydrid-Härtungsmittel und Amin-Härtungsmittel als Härtungsmittel für FW verwendet. Jedoch eignet sich ein Säureanhydrid, das bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt, am besten zur Verwendung als Härtungsmittel für die vorliegende Erfindung, da es bewirken kann, dass die Harzzusammensetzung eine niedrige Viskosität aufweist. Spezifische Beispiele dafür schließen Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Methyl-endo-cis-5-norbornen-2,3-dicarbonsäureanhydrid bzw. Methylnadic-Anhydrid und Methyl-cis-exo-5-norbornen-2,3-dicarbonsäureanhydrid bzw. Methylhimic-Anhydrid ein.
  • Außerdem wird eine Imidazolverbindung, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt, als Härtungsbeschleuniger verwendet. Spezielle Beispiele dafür schließen 2-Ethyl-4-methylimidazol und 1-Benzyl-2-methylimidazol ein.
  • Vorzugsweise wird Epoxidharz als duroplastisches Harz verwendet, das für die vorliegende Erfindung wie oben beschrieben verwendet wird. Zusätzlich zu den obigen Beispielen schließen Beispiele für Epoxidharz, dessen Vorläufer aus Aminen ausgewählt ist, eine große Vielfalt von Isomeren von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Triglycidyl-p-aminophenol, Triglycidyl-m-aminophenol und Trigylcidylaminocresol ein. Beispiele für Epoxidharz, dessen Vorläufer aus Phenolen ausgewählt ist, schließen Bisphenol A-Epoxidharz, Bisphenol F-Epoxidharz, Bisphenol S-Epoxidharz, Phenolnovolac-Epoxidharz und Cresolnovolac-Epoxidharz ein. Beispiele für Epoxidharz, dessen Vorläufer eine Verbindung mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung ist, schließen cycloaliphatisches Epoxidharz ein. Ferner kann auch bromiertes Epoxidharz, das durch Bromieren eines der oben genannten Epoxidharze erhalten wird, verwendet werden.
  • Beispiele für ein Härtungsmittel für Epoxidharz, das verwendet werden kann, schließen Säureanhydrid (z. B. Methylnadic-Anhyrid), Amin-Härtungsmittel (z. B. Metaphenylendiamin, Methyldianilin, Ethylmethylimidazol und Isophorondiamin), Polyaminoamid-Härtungsmittel, Phenol-Härtungsmittel (z. B. Bis(parachidroxyphenyl)sulfon), Polymercaptan-Härtungsmittel und latente Härtungsmittel (z. B. Dicyanamid) ein. Außerdem können ein als Härtungskatalysator bezeichneter Borfluoridaminkomplex und eine Imidazolverbindung in Kombination mit den genannten Härtungsmittel verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Harnstoffverbindung, die über eine zusätzliche Reaktion von Isocyanat und Dimethylamin erhalten wird, in Kombination verwendet werden.
  • Beispiele für ein duroplastisches Nicht-Epoxidharz, das bevorzugt in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, schließen Maleimidharz, ein Harz mit einer Acetylen-Endgruppe, ein Harz mit einer Nadic-Anhydrid-Endgruppe, ein Harz mit einer Cyansäureester-Endgruppe, ein Harz mit einer Vinyl-Endgruppe und ein Harz mit einer Allylendgruppe ein. Diese Harze können nach Bedarf mit Epoxidharz oder anderen Harzen gemischt werden. Ebenso kann ein Modifizierungsmittel, wie ein thermoplastisches Harz oder ein Elastomer, in einem Umfang zugesetzt werden, mit dem die Wärmebeständigkeit nicht nennenswert herabgesetzt wird. Ferner ist es auch möglich, ein duroplastisches Harz zu verwenden, das in der einschlägigen Industrie in großem Umfang verwendet wird, wie ein Phenolharz, ein Resorcinolharz, ein ungesättigtes Polyesterharz oder ein Vinylesterharz.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einer Harzzusammensetzung dadurch Zähigkeit zu verleihen, dass man ihr eine Elastomerkomponente zusetzt. Vorzugsweise umfasst eine Elastomerkomponente, die für die vorliegende Erfindung verwendet wird, vernetzte, feine Kautschukteilchen. Bevorzugte Beispiele für vernetzte, feine Kautschukteilchen, die verwendet werden können, schließen Feinteilchen aus Kautschuk wie NBR (Nitril-Kautschuk), SBR (Styrol-Kautschuk), BR (Butadien-Kautschuk), Emulsionspolymerisations-BR, CR (Chloropren-Kautschuk), IIR (Butyl-Kautschuk), EPDM (Ethylen/Propylen-Kautschuk), CSM (chlorsulfoniertem Kautschuk), Urethan-Kautschuk, Polysulfid-Kautschuk, Silikon-Kautschuk oder Fluorkohlenstoff-Kautschuk ein.
  • Ein thermoplastisches Harz, das für die vorliegende Erfindung verwendet wird, weist eine Bindung in einer Hauptkette auf. Typische Beispiele für eine solche Bindung, die ausgewählt werden können, schließen eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, eine Amid-Bindung, eine Imid-Bindung, eine Ester-Bindung, eine Ether-Bindung, eine Carbonat-Bindung, eine Urethan-Bindung, eine Thioether-Bindung, eine Sulfon-Bindung, eine Imidazol-Bindung und eine Carbonyl-Bindung ein. Vorzugsweise werden die folgenden Beispiele als thermoplastisches Harz der vorliegenden Erfindung verwendet, da sie eine ausgezeichnete Schlagbeständigkeit aufweisen: Polyvinylacetat; Polyamid; Polycarbonat; Polyacetal; Polyphenylenoxid; Polyphenylensulfid; Polyacrylat; Polyester; Polyamidimid; Polyimid; Polyetheramid; Polysulfon; Polyethersulfon; Polyetherketon; Polyaramid; Polybenzimidazol; Polyethylen; Polypropylen; Celluloseacetat und Cellulosebutyrat. Unter diesen sind Polyamid, Polyimid, Polyamidimid, Polyetheramid, Polyethersulfon und Polysulfon besonders für die vorliegende Erfindung bevorzugt, da sie eine gute Zähigkeit und eine gute Wärmebeständigkeit haben. Genauer ist Polyamid für die vorliegende Erfindung besonders bevorzugt, da es eine hervorragende Zähigkeit aufweist.
  • Diese Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz können allein oder in Kombinationen von zweien oder mehreren verwendet werden. Jedoch ist es nötig, ein Teilchen zu verwenden, das im Hinblick auf die Dispergierbarkeit eines duroplastischen Harzes, wie Epoxidharz, auf die Wärmebeständigkeit und die Wärmezyklusbeständigkeit eines gehärteten Materials, auf die Gasdurchlässigkeit und dergleichen bevorzugt ist.
  • Im Hinblick auf die Faserimprägnierung ist es außerdem nötig, dass ein duroplastisches Harz mit niedriger Viskosität für die FW verwendet wird. Der Grund dafür ist, dass sich Fasern mit einem duroplastischen Harz mit zu hoher Viskosität nicht gut imprägnieren lassen. Man beachte, dass bei einer zu niedrigen Viskosität ein duroplastisches Harz eine eher hohe Fluidität aufweist und somit die Menge, in der dieses Harz an den Fasern haftet, abnimmt. Somit liegt die Viskosität eines duroplastischen Harzes bei 25°C vorzugsweise bei 100 bis 1500 MPa·s, und stärker bevorzugt bei 300 bis 800 MPa·s. Ferner ist es im Hinblick auf die Topfzeit auch möglich, die Viskosität beim Imprägnieren durch Erwärmen zu senken.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Faktor, der nötig ist, um einen Gastank (einen für hohen Druck ausgelegten Behälter) zu bewerten, ein Umwelttest (gemäß einem KHK-Standard). Während des Tests wird eine Bewertung dadurch durchgeführt, dass die Festigkeit eines Druckbehälters bei Wärmebelastung in einer schwach alkalischen Tauchlösung durchgeführt wird. Genauer umfasst das Verfahren: 1) Abgeben eines Pendelschlags, um einen Behälter zu beschädigen; 2) Tauchen des Behälters in eine Tauchlösung (pH = 4); 3) Durchführen von Zyklustests 5625 mal bei Raumtemperatur; 4) Durchführen von Zyklustests 2820 mal bei –40°C; 5) Durchführen von Zyklustests 2820 mal bei einem Druck von 82° und 6) Anlegen eines Berstdrucks (≥ maximaler Beladungsdruck × 180%) an den Behälter.
  • Während der Tests ist Wärmebeständigkeit erforderlich. Somit wird bestimmt, dass der Bruchzähigkeitswert, der einer Eigenschaft entspricht, die eine Senkung der Wärmebeständigkeit bewirkt, im folgenden Bereich fällt. Der Bruchzähigkeitswert wird als 1,5 MPa0,5 oder weniger bestimmt, ein Wert, bei dem Glasübergangstemperaturen (Tg) von 135°C oder höher gewährleistet werden können. Außerdem ist im Falle von Nitrilkautschuk (NBR) dessen angemessene Menge 5 Gew.-% oder weniger. Daraus ergibt sich, dass in einem Kraftfahrzeug, in dem zu erwarten ist, dass der Gastank (der für hohen Druck ausgelegte Behälter) der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dieser Druckbehälter auch dann nicht beschädigt wird, wenn er einer Umgebung ausgesetzt wird, die der des genannten Umwelttests ähnelt.
  • Ein Faktor, der für die Bewertung eines Gastanks (eines für hohen Druck ausgelegten Behälters) nötig ist, ist ein Gasdurchlässigkeitstest (gemäß einem KHK-Standard). Bei der Bewertung wird ein auf das Design ausgelegter Soll-Innendruck an einen Druckbehälter angelegt, und dann wird die Gasmenge, die aus dem Inneren des Behälters nach außen gelangt, gemessen. Die Elastomermenge, die es einem Tank ermöglicht, den Test zu bestehen, während die Wärmebeständigkeit abnimmt, wird angemessen ausgewählt und auf der Basis des Bruchzähigkeitswerts eines Matrixharzes festgelegt. Der Bruchzähigkeitswert, bei dem eine Gaspermeationsmenge von 0,25 Ncm3/Lh oder weniger gewährleistet werden kann, wird als 0,7 MPa0,5 oder mehr bestimmt. Außerdem ist im Falle von Nitrilkautschuk (NBR) dessen angemessene Menge 2 Gew.-% oder mehr. Infolgedessen wird es insbesondere möglich, eine zufrieden stellende Gasdurchlässigkeit durch eine Gewährleistung der Festigkeit bei Zugabe eines Elastomers zu erhalten.
  • Zumindest eine Art von Fasergarn mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul kann als Verstärkungsfasergarn verwendet werden, aus dem die Verstärkungsfaserbündel bestehen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Beispiele für solche Fasergarne schließen Kohlenstofffasergarne, Graphitfasergarne, Glasfasergarne und organische Fasern mit hohem Elastizitätsmodul (z. B. Polyaramidfasern) ein. Solche Verstärkungsfasergarne sind vorzugsweise unverdrillte Fasergarne, die im Hinblick auf die Faseröffnung sehr gut sind, wodurch sie es ermöglichen, einen Grad der Spannungskonzentration aufgrund eines Faltens zu verringern und die Entstehung von Leerstellen zu verringern. Unter diesen Verstärkungsfasergarnen sind Kohlenstofffasergarne bevorzugt, da ihre relative Festigkeit und ihr Elastizitätsmodul ausgezeichnet sind (sie im Hinblick auf Gewichtsreduzierungswirkungen hervorragend sind), und sie beim Wickeln keinen nennenswerten Garnbruch oder keine Garnaufspaltung bewirken. Daher kann nicht nur die Produktivität gesteigert werden, sondern es kann auch eine Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften und der Schlagfestigkeitsleistung aufgrund eines Einbaus von Garnübergangsstellen oder Aufspaltungen verhindert werden.
  • Im Folgenden werden Beispiele für einen in ein Fahrzeug eingebauten FC-Wasserstoff-Drucktank, für den ein hochzähes Matrixharz verwendet wird, beschrieben.
  • Drucktankaufbau:
  • Ein Druckbehälter weist eine innere Gasbarrierehülle (eine Auskleidung) und eine druckbeständige Außenhülle auf, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle (die FRP-Schicht) bedeckt. Ein solcher Druckbehälter besteht hauptsächlich aus einem Hauptkörper, einem Spiegelteil, der sich an den Hauptkörper anschließt, einer Erhebung bzw. Nabe an der Basis, die verwendet wird, eine Lampe anzubringen. Der hierin verwendete Ausdruck „FRP” bezeichnet ein Material, das durch Imprägnieren von Fasern mit einem Harz und Härten des Ergebnisses erhalten wird. Zumindest eine Art von Fasergarn mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul kann als Faser für FRP verwendet werden. Beispiele für solche Fasergarne schließen Kohlenstofffasergarne, Graphitfasergarne, Glasfasergarne und organische Fasern mit hohem Elastizitätsmodul (z. B. Polyamid- oder Polyethylenfasern) ein. Unter diesen werden Kohlenstofffasern bevorzugt verwendet. Vorzugsweise werden 1.000 bis 50.000 Kohlenstofffaserfilamente und stärker bevorzugt 10.000 bis 30.000 Kohlenstofffaserfilamente verwendet. Hierin wurden 24.000 Filamente von Fasern mit einem Elastizitätsmodul von etwa 30 Tonnen verwendet.
  • Was ein FRP-bildendes Harz betrifft, mit dem Fasern imprägniert wurden, so wurde flüssiges Bisphenol F-Epoxidharz verwendet, das als Basisharz für FW verwendet wird. Elastomerteilchen, welche die Gasdurchlässigkeit verringern können, werden einem Basisharz zugesetzt. Das verwendete Härtungsmittel war ein Säureanhydrid-Härtungsmittel.
  • Druckbehälter-Formverfahren:
  • Als Druckbehälter-Formverfahren wurde ein Verfahren angewendet, bei dem eine Tankauskleidung sich dreht, um Fasern aufzuwickeln. Kohlenstofffasern werden auf einen Spulenständer in einer einzigen Richtung gelegt. Zugkraft wird als Ergebnis der Drehung einer Tankauskleidung und der Bewegung eines Servomotors, der sich im Spulenständer befindet, an die Kohlenstofffasern angelegt. Die Fasern werden mit einem flüssigen Harz in einer Schicht imprägniert, die für die Harzimprägnierung verwendet wird. Dann wird das Ergebnis durch eine 4-Achsensteuerungs-FW-Maschine geschickt, so dass es durch die drehende Auskleidung aufgewickelt wird, gefolgt von einer Wärmehärtung. Somit wird der Tank fertiggestellt.
  • Eigenschaften – 1 (Festigkeit):
  • Was die oben genannte Materialstruktur betrifft, so ist es notwendig, den Bruchzähigkeitswert eines Matrix-Epoxidharzes, dem Zähigkeit verliehen wurde, zu spezifizieren, um die Zuverlässigkeit eines Druckbehälters bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Der genannte Umwelttest wird durchgeführt, um die Wärmebeständigkeit und die chemische Beständigkeit eines Druckbehälters zu bewerten. 2 zeigt Umwelttestergebnisse, die den Bruchzähigkeitswerten entsprechen, die unter Verwendung von Ethylenpropylen-Kautschuk(EPDM)-Teilchen als Elastomerteilchen erhalten wurden.
  • Auf der Basis des Ergebnisses von 2 wird der Bruchzähigkeitswert eines Matrixharzes, dem Zähigkeit verliehen wurde, als 1,5 MPa0,5 oder weniger bestimmt. Wenn ein Matrixharz in einer größeren Menge als der des genannten Falls zugesetzt wird, können die Wärmebeständigkeit/chemische Beständigkeit eines Drucktanks und dessen Ermüdungsniveau nicht zufrieden stellen.
  • Außerdem zeigt 3 Umwelttestergebnisse, die Zugabemengen von Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen entsprechen und die unter Verwendung von Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen als Elastomerteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,05 μm bis 0,5 μm erhalten wurden. Auf Basis der Ergebnisse von 3 wird die Menge der eingeführten Nitrilkautschukteilchen, bei der Zähigkeit verliehen wird, als 5 Gew.-% oder weniger bestimmt. Wenn die Teilchen in einer größeren Menge zugesetzt werden als im genannten Fall, ergibt sich daraus, dass die Wärmebeständigkeit/chemische Beständigkeit eines Drucktanks und dessen Ermüdungsbeständigkeit nicht zufrieden stellen können.
  • Eigenschaften 2 (Gasdurchlässigkeit):
  • Was die Luftdichtigkeitseigenschaften eines Druckbehälters betrifft, so kann die genannte Druckbehälterauskleidung Gasbarriereeigenschaften im Wesentlichen gewährleisten. Jedoch hat sie keine so guten Luftdichtigkeitseigenschaften, dass Wasserstoff vollständig blockiert wird. Somit darf gemäß der vorliegenden Erfindung eine FRP-Schicht Gasbarriereeigenschaften haben. Die Gasdurchlässigkeit kann unter Verwendung von natürlichem Kautschuk, der einem CFRP-Matrixharz zugesetzt wird, wirksam gesenkt werden. 4 zeigt die Gasdurchlässigkeit auf der Basis von Bruchzähigkeitswerten von Ethylenpropylen-Kautschuk(EPDM)-Teilchen, die als Elastomerteilchen verwendet werden.
  • Folgendes ergibt sich aus den Ergebnissen von 4.
    • (1) Wenn der Bruchzähigkeitswert niedrig ist (ohne Zugabe von Elastomerteilchen), kann die Gaspermeationsmenge nicht zufrieden stellen.
    • (2) Wenn der Bruchzähigkeitswert 0,7 MPa0,5 oder mehr ist, kann die Gaspermeationsmenge durch einen Drucktank zufrieden stellen.
    • (3) Die Zugabe von Elastomerteilchen senkt wirksam die Gasdurchlässigkeit.
  • Ferner zeigt 5 die Gasdurchlässigkeit eines Drucktanks auf der Basis der Menge an zugesetztem Nitrilkautschuk (NBR), der als Elastomerteilchen verwendet wird. Auf der Basis der Ergebnisse von 5 folgt, dass zusätzlich zu (1) und (3) die Gaspermeationsmenge durch einen Drucktank bei Zugabe von Elastomerteilchen in einer Menge von 2 Gew.-% oder mehr zufrieden stellen kann (4).
  • Auf der Basis der obigen Ergebnisse folgt, dass der Bruchzähigkeitswert eines Matrix-Epoxidharzes, bei dem die Festigkeit bei hohen Temperaturen und die Gasdurchlässigkeit zufrieden stellen können, vorzugsweise 0,7 MPa0,5 bis 1,5 MPa0,5 beträgt, und dass in einem solchen Fall die Menge an zugesetzten Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen vorzugsweise bei 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% liegt.
  • In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung wird in einigen Fällen ein Harz, das beispielsweise ein Material (Elastomerteilchen) umfasst, das im Hinblick auf Gasbarriereeigenschaften sehr gut ist, vor dem FW-Faserformen auf eine Auskleidung aufgetragen. Somit wird es möglich, die Gaspermeation durch eine Auskleidung zu minimieren, bevor eine Gaspermeation durch eine CFRP-Schicht verhindert wird. Außerdem kann dieses Material im Anschluss an die Herstellung eines Harzes zuvor mit einem Pinsel aufgetragen werden. Ferner wird die Viskosität eines Harzes, das für die Imprägnierung verwendet wird, dadurch gesenkt, dass dieses mit einem Lösungsmittel, wie Alkohol, Aceton oder MEK verdünnt wird und das Ergebnis dann unter Verwendung einer Luftpistole, die zum Sprühen oder dergleichen verwendet wird, gleichmäßig auf den Außenumfang einer Auskleidung aufgebracht wird. Nach Auftragung des Harzes ist es auch außerdem auch möglich, ein Lösungsmittel, das zum Verdünnen verwendet wurde, beim Wärmehärten verdampfen zu lassen. Somit beeinflusst dieses Lösungsmittel das geformte FRP nicht.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Entstehung feiner Risse bei einer Deformierung eines Tanks durch Einwirkung von innerem Gasdruck oder einem Schlag von außen unter Verwendung von Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz, die in einem duroplastischen Harz dispergiert sind, verringert. Somit kann die Wasserstoffpermeation durch einen Innenhülle (Auskleidung) auf ein äußerst niedriges Niveau gesenkt werden. Somit können die Sicherheit und die Anwendungsmöglichkeiten eines Drucktanks, wie eines Wasserstofftanks für eine Brennstoffzelle, verbessert werden.

Claims (18)

  1. Gastank mit einer als eine innere Gasbarrierehülle ausgebildeten Innenhülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle bedeckt, und die aus einem druckbeständigen FRP besteht, wobei die Außenhülle Verstärkungsfaserbündel (A), ein duroplastisches Harz (B) und Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), die im duroplastischen Harz (B) gleichmäßig dispergiert sind, so in den Verstärkungsfaserbündeln (A) imprägniert sind und vorliegen.
  2. Gastank nach Anspruch 1, wobei der Bruchzähigkeitswert einer duroplastischen Harzzusammensetzung, die das duroplastische Harz (B) und die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, 0,5 MPa m0,5 bis 3,0 MPa m0,5 ist.
  3. Gastank nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine duroplastische Harzzusammensetzung, welche das duroplastische Harz (B) und die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einer Menge von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% enthält.
  4. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elastomerteilchen (C) vernetzte Elastomerteilchen sind.
  5. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elastomerteilchen (C) vernetzte Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen sind.
  6. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die durchschnittliche Teilchengröße jedes der Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) 0,05 μm (50 nm) bis 0,5 μm ist.
  7. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das duroplastische Harz (B) Bisphenol F-Epoxidharz ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks mit einer als eine innere Gasbarrierehülle ausgebildeten Innenhülle und einer Außenhülle, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle bedeckt, und die aus einem druckbeständigen FRP besteht, wobei die Außenhülle, in der Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C), die in einem duroplastischen Harz (B) gleichmäßig dispergiert sind, in Verstärkungsfaserbündeln (A) vorliegen, um die Innenhülle herum ausgebildet wird, wobei die Außenhülle dadurch erhalten wird, dass man die Verstärkungsfaserbündel (A) mit dem duroplastischen Harz (B), in dem die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) gleichmäßig dispergiert sind, imprägniert.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach Anspruch 8, wobei der Bruchzähigkeitswert einer duroplastischen Harzzusammensetzung, die das duroplastische Harz (B) und die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, 0,5 MPa m0,5 bis 3,0 MPa m0,5 ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine duroplastische Harzzusammensetzung, welche das duroplastische Harz (B) und die Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) in einer Menge von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% enthält.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Elastomerteilchen (C) vernetzte feine Elastomerteilchen sind.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Elastomerteilchen (C) vernetzte feine Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen sind.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die durchschnittliche Teilchengröße jedes der Elastomerteilchen und/oder Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) 0,05 μm (50 nm) bis 0,5 μm ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das duroplastische Harz (B) Bisphenol F-Epoxidharz ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Gastanks nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Außenhülle anhand eines Filamentwickel-(FW-)Verfahrens gebildet wird.
  16. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Gastank mit Wasserstoffgas zu befüllen ist.
  17. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Gastank mit flüssigem Erdgas zu befüllen ist.
  18. Gastank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem es sich um einen Gastank handelt, der mit flüssigem Propangas zu befüllen ist.
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