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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Reihe von Gastanks. Genauer
betrifft die vorliegende Erfindung einen Gastank, der für
einen Einbau in Kraftfahrzeuge und dergleichen geeignet ist, und
ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Technischer Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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So
offenbart die
JP-Patentveröffentlichung (Kokai)
8-219386 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)
Nr. 8-219386 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.
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Jedoch
befindet sich im Falle eines Gastanks, der in der
JP-Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 8-219386 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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einem dritten Aspekt betrifft 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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1A und 1B zeigen
schematisch einen Rissfortpflanzungsmechanismus in einer Matrixphase.
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2 ist
ein Graph, der Umwelttestergebnisse zeigt, die Bruchzähigkeitswerten
entsprechen.
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3 ist
ein Graph, der Umwelttestergebnisse zeigt, die der zugesetzten Menge
an Nitrilkautschuk(NBR)-Teilchen entsprechen.
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4 ist
ein Graph, der die Gasdurchlässigkeit auf der Basis des
Bruchzähigkeitswerts zeigt.
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5 ist
ein Graph, der die Gasdurchlässigkeit eines Drucktanks
auf der Basis der zugesetzten Menge an Nitril-Kautschukteilchen
zeigt.
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Beste Weise zur Durchführung
der Erfindung
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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 1 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Spezielle
Beispiele für solche reaktiven Verdünnungsmittel
schließen Neopentylglycoldiglycidylether, 1,6-Hexandioldiglycidylether
und Neodecansäureglycidylester ein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, Graphitfasergame,
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
bevor zugt, 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.
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Im
Folgenden werden Beispiele für einen in ein Fahrzeug eingebauten
FC-Wasserstoff-Drucktank, für den ein hochzähes
Matrixharz verwendet wird, beschrieben.
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[Drucktankaufbau]
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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.
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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,
wer den einem Basisharz zugesetzt. Das verwendete Härtungsmittel
war ein Säureanhydrid-Härtungsmittel.
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[Druckbehälter-Formverfahren]
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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.
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[Eigenschaften – 1 (Festigkeit)]
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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.
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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.
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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.
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[Eigenschaften 2 (Gasdurchlässigkeit)]
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Industrielle Anwendbarkeit
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Gastank geschaffen, der eine innere
Gasbarrierehülle und eine Außenhülle
umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie die Innenhülle
bedeckt, und die aus druckbeständigem FRP besteht, wobei
diese Außenhülle Verstärkungsfaserbündel
(A), ein duroplastisches Harz (B) und Elastomerteilchen und/oder
Teilchen aus thermoplastischem Harz (C) umfasst, mit der Maßgabe,
dass die Elastomerteilchen und/oder die Teilchen aus thermoplastischem
Harz (C), die in einem duroplastischen Harz dispergiert wurden,
in Verstärkungsfaserbündeln (A) vorliegen. Ein
solcher Gastank weist eine ausgezeichnete Festigkeit und Wärmebeständigkeit
auf und hat eine verringerte Gasdurchlässigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 8-219386
A [0010, 0010, 0011]