KR20240037330A - 인발성형된 원통형 엘리먼트를 포함하는 저장소 - Google Patents

인발성형된 원통형 엘리먼트를 포함하는 저장소 Download PDF

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KR20240037330A
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polyamide
fiber reinforcement
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KR1020247006297A
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질 호흐슈테터
티보 사바트
아서 바보
악셀 살린니에
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아르끄마 프랑스
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Abstract

본 발명은 가압 유체를 함유하기 위한 탱크로서, - 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료(pultruded fibrous material)로 제조된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트, - 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡 및 - 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치되고, 상기 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 제2 캡, 및 - 원통형 엘리먼트(들) 및 선택적으로 캡을 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 적어도 하나의 추가적인 섬유 보강재를 포함하고, 추가적인 섬유 보강재에 함유된 섬유는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축과 상이한 축을 따라 위치되고, 탱크의 섬유의 총 함량은 탱크에 함유된 매트릭스 및 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%인, 탱크에 관한 것이다.

Description

인발성형된 원통형 엘리먼트를 포함하는 저장소
[0001] 본 발명은 가압 유체를 함유하도록 의도된 탱크에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이의 제조 방법, 및 또한 유체, 특히 수소를 저장, 수송 및/또는 분배하기 위한 이의 용도에 관한 것이다.
[0002] 현재, 생태학적 전환(ecological transition)은 오일 소비를 감소시키고 덜 오염된 유형의 에너지의 사용을 촉진하는 경향이 있다. 이러한 관점에서, 수소는 특히 연구되는 유체 중 하나이다. 특히, 연료 전지 차량은 수많은 조사 연구의 주제를 형성하고 있는 것으로 밝혀졌다.
[0003] 이 분야에서, 이러한 차량의 대량 생산과 관련된 어려움 중 하나는 탱크의 설계이다. 이는 이러한 차량에 의해 운반되는 수소 탱크가 최대 700 bar의 범위일 수 있는 작동 압력을 받으며, 충돌, 우발적 충격 또는 화재의 결과를 가능한 한 많이 제한하기 위해 중요한 안전 요건을 충족해야 하기 때문이다. 예를 들어, 차량이 관련된 사고 중에 탱크가 손상될 때 또는 화기에 의해 발사된 발사체가 탱크를 통과할 때, 탱크가 현저하게 파열 또는 폭발되지 않으면서 탱크의 압력을 점진적으로 해제하는 것이 바람직하다. 차량에 불이 붙은 결과로 탱크에 함유된 가스의 온도가 상승한 경우에도 동일하게 적용된다.
[0004] 중요한 이점은 이들이 차체, 특히 배터리 팩에 쉽게 삽입되어 배터리의 전부 또는 일부를 대체할 수 있다는 것이다.
[0005] 또 다른 목적은 이러한 탱크가 합리적인 비용, 예를 들어, 자동차 적용에 허용되는 비용으로 산업적으로 얻어지는 것을 가능하게 하는 것이다.
[0006] 또한, 수소 탱크에 필요한 압력 제약은 기계적 관점에서 임의의 다른 화학적으로 비공격적인 유체가 이러한 탱크에 함유될 수 있음을 의미한다.
[0007] 문헌 FR 2 923 575호로부터, 원통형의 일반적인 형상과 둥근 단면의, 고압 하에 유체를 저장하기 위한 탱크가 공지되어 있으며, 탱크는 그것의 축을 따라 그것의 단부 각각에 금속 캡, 상기 캡을 둘러싸는 라이너 및 상기 라이너를 둘러싸는 열경화성 수지가 함침된 섬유로 제조된 구조층을 포함한다.
[0008] 문헌 WO2017/199193호로부터, 복합 재료로 제조된 탱크가 또한 공지되어 있으며, 탱크는 관형 엘리먼트(tubular element), 관형 엘리먼트의 단부에 각각 삽입된 2개의 캡, 및 관형 엘리먼트 및 캡을 둘러싸는 원주방향 층을 포함한다. 원주방향 층은 수지가 함침된, 와인딩된 섬유로 형성된다. 관형 엘리먼트는 수지 매트릭스에 평행하게 배열된 섬유를 필수적 요소로 하여 구성된(essentially consisting of) 길이방향 층에 의해 둘러싸인 플라스틱 튜브를 포함하고, 평행한 섬유는 플라스틱 튜브의 길이방향 축 방향으로 배향된다.
[0009] 이러한 "통상적인" 복합 가스 저장 탱크는 일반적으로 10 리터 초과의 부피에 대해 일반적으로 150 mm 이상의 원통형 부분의 내부 직경을 나타낸다.
[0010] 반대로, "컨포머블(conformable)" 또는 "다형성(polymorphic)" 가스 저장 탱크는 일반적으로 서로 연결된 폐쇄된 튜브의 조립체를 포함한다. 이러한 다형성 탱크는 전형적으로 150 mm 미만의 내부 직경을 갖는, 작은 직경을 갖는 복합 튜브를 조립함으로써 제조된다.
[0011] 그러나, 특히 고압 하에 저장하기 위한 이러한 유형의 저장 탱크를 효율적으로 제조하기 위한 최적의 기술 솔루션은 아직 잘 정의되어 있지 않다.
[0012] 반구형 돔의 형상을 가질 수 있는 캡에 의한 튜브의 폐쇄는 이러한 돔을 유지하기 위해 이상적으로는 튜브의 축에 위치된 섬유를 필요로 하지만, 돔의 반구형 형상을 고려할 때, 상기 섬유는 튜브의 축에 엄격하게 정렬될 수 없으며, 이는 효율성에 불리하고, 실제로 튜브의 축에 정렬된 경우, 예상할 수 있는 엄격한 최소량보다 더 많은 양의 섬유를 사용해야 한다.
[0013] 또한, 튜브의 직경이 너무 작아지면, 전형적으로 150 mm 미만이 되면, 탱크 주위의 섬유의 와인딩 동안 문제를 나타내지 않을 만큼 충분히 큰 곡률 반경을 나타내는 돔으로 튜브를 폐쇄하는 것이 복잡해진다.
[0014] 또한, 이러한 튜브의 생산 속도는 라이너의 생산, 이후 이 라이너 주위의 하나 이상의 특정 섬유 와인딩, 및 튜브의 폐쇄를 포함하여 비교적 느리다.
[0015] 마지막으로, 가장 흔한 복합 탱크 용액은 특히 에폭시 유형의 열경화성 수지에 기반한 복합 보강재를 사용한다. 사실상, 이러한 복합재는 일반적으로 미세균열되어, 탱크의 기밀성(leaktightness)을 보장하기 위해 두껍고 무거운 라이너를 사용하는 것이 필수적이다. 열경화성 복합재, 특히 에폭시의 미세균열은 이들의 기계적 강도에 해롭고 탄소 섬유의 함량을 증가시켜야 하여 탱크의 비용을 증가시킨다.
[0016] 이러한 단점은 복합 보강재가 습식 필라멘트 와인딩에 의해 제조되는 경우에 또 다른 단점과 결합된다. 이는 이러한 유형의 공정이 프로세싱 동안 고압의 부재로 인해 높은 다공도(degree of porosity)를 초래하기 때문이다.
[0017] 끝으로, 열경화성 수지, 특히 에폭시 수지를 기반으로 하는 복합 탱크는 재활용될 수 없다.
[0018] 따라서, 비교적 용이하고 생산이 간단하며 재활용될 수 있는 고압을 견디는 탱크가 요망된다.
[0019] 본 발명은, 가압 유체를 함유하기 위한 탱크로서,
- 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료(pultruded fibrous material)로 제조된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트,
- 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡 및
- 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치되고, 상기 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 제2 캡, 및
- 원통형 엘리먼트(들), 및 선택적으로 캡을 부분적으로 또는 완전히, 바람직하게는 완전히 둘러싸는 적어도 하나의 추가적인 섬유 보강재를 포함하며,
추가적인 섬유 보강재에 함유된 섬유는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축과 상이한 축에 위치되고,
탱크의 섬유의 총 함량은 탱크에 함유된 매트릭스 및 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%인 탱크를 타깃으로 한다.
[0020] 본 발명은 또한 하기 연속 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 정의된 바와 같은 탱크의 제조를 위한 공정에 관한 것이다:
(a) 원통형 엘리먼트의 인발성형(pultrusion) 단계,
(b) 단계 (a)의 종료시 수득된 원통형 엘리먼트의 단부에 캡을 배치하는 단계,
(c) 추가적인 섬유 보강재의 침착 단계.
[0021] 끝으로, 본 발명은 압축된 형태, 액체 형태 또는 또한 동결압축된 형태의, 가스와 같은 유체, 및 특히 수소, 천연 가스, LPG, LNG, 압축 공기, 질소 또는 산소의 저장, 수송 및/또는 분배를 위한, 상기 정의된 바와 같은 탱크의 용도에 관한 것이다.
[0022] 도 1은 본 발명에 따른 탱크를 위한 추가적인 섬유 보강재를 갖는 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료로 제조된 원통형 엘리먼트의 제조 공정을 예시하는 도면이다.
[0023] 도 2는 본 발명에 따른 탱크를 위한 추가적인 섬유 보강재를 갖는 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료로 제조된 원통형 엘리먼트의 또 다른 제조 공정을 예시하는 도면이다.
[0024] 본 발명의 다른 특징, 양태, 주제 및 이점은 하기 설명을 읽으면 훨씬 더 명백해질 것이다.
[0025] 본 설명에서 사용되는 표현 "... 내지 ..." 및 "... 과 ... 사이"는 언급된 각각의 한계를 포함하는 것으로 이해되어야 하는 것으로 명시된다.
탱크
[0026] 본 발명에 따른 탱크는,
- 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료(pultruded fibrous material)로 제조된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트,
- 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡 및
- 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치되고, 상기 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 제2 캡, 및
- 원통형 엘리먼트(들), 및 선택적으로 캡을 부분적으로 또는 완전히, 바람직하게는 완전히 둘러싸는 적어도 하나의 추가적인 섬유 보강재를 포함하며,
추가적인 섬유 보강재에 함유된 섬유는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축과 상이한 축을 따라 위치되고,
탱크의 섬유의 총 함량은 탱크에 함유된 매트릭스 및 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%이다.
[0027] 원통형 엘리먼트는 인발성형 공정에 따라 제조된다. 따라서, 원통형 엘리먼트는 열가소성 매트릭스가 함침된 섬유로 구성된다. 인발성형은 원통형 엘리먼트의 축에서 다이를 통해 섬유의 견인을 가하는 일반적으로 연속적인 공정이며, 섬유는 반드시 견인의 축으로 배향될 필요는 없다. 인발성형은 건조 섬유, 예를 들어, 건조 섬유의 브레이드(braid), 건조 섬유의 패브릭 또는 단방향 로빙(roving)의 함침을 포함한다. 이는 또한 공동블렌드된 섬유, 사전 함침된 섬유, 수지가 사전 함침된 브레이드의 프로파일링된 엘리먼트 형태의 가공을 포함한다. 후자의 경우에 따르면, 섬유는 인발성형 단계 전에 사전 함침될 수 있다.
[0028] 일반적으로, 종래 기술의 튜브는 후속하여 섬유로 덮이는, "라이너"로 불리는 튜브로 구성된다. 실제로, 본 발명에 따른 탱크는 이미 섬유를 포함하는 원통형 엘리먼트를 포함한다. 본 발명에 따른 탱크의 이러한 양태는 매우 유리하다. 이는 원통형 엘리먼트의 전체 부피가 연속적으로 그리고 단일 단계로 생산되므로, 인발성형에 의한 원통형 엘리먼트의 제조가 두꺼운 엘리먼트의 경우에도 생산적이기 때문이다. 또한, 원통형 엘리먼트에 섬유를 혼입함으로써 튜브의 축에, 함침된 섬유 보강재의 침착을 생략할 수 있다. 이는 이러한 침착 단계가 비교적 느리고 항상 제어하기 쉬운 것은 아니기 때문이다.
[0029] 본 발명의 한 구현예에 따르면, 특히 타깃 유체의 유형에 따라, 본 발명에 따른 탱크는 라이너를 함유할 수 있다. 그러나, 이 라이너가 필수적인 것은 아니다.
섬유
[0030] 상기 섬유 재료의 구성성분 섬유와 관련하여, 이들은 특히 로빙 형태의 무기, 유기 또는 식물성 기원의 섬유이다.
[0031] 유리하게는, 로빙 당 섬유의 수는, 탄소 섬유의 경우, 12K 이상, 24K 이상, 특히 50K 이상, 특히 24K 내지 36K이다.
[0032] 유리하게는, 유리 섬유에 대한 평량은, 각각의 로빙에 대해, 1200 tex 이상, 특히 4800 tex 이하, 특히 1200 내지 2400 tex이다.
[0033] 무기 기원의 섬유 중에서는, 예를 들어, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 또는 현무암-기반 섬유, 실리카 섬유 또는 실리콘 카바이드 섬유가 언급될 수 있다. 유기 기원의 섬유 중에서는, 예를 들어, 반방향족 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유 또는 폴리올레핀 섬유와 같은 열가소성 또는 열경화성 폴리머에 기반한 섬유가 언급될 수 있다. 바람직하게는, 이들은 비정질 열가소성 폴리머를 기반으로 하고, 폴리머 또는 폴리머 블렌드가 비정질일 때 함침 매트릭스의 구성성분 열가소성 폴리머 또는 폴리머 블렌드의 Tg보다 더 크거나 또는 폴리머 또는 폴리머 블렌드가 반결정질일 때 함침 매트릭스의 구성성분 열가소성 폴리머 또는 폴리머 블렌드의 M.p. 보다 더 큰 유리 전이 온도(Tg)를 나타낸다. 유리하게는, 이들은 반결정질 열가소성 폴리머를 기반으로 하고, 폴리머 또는 폴리머 블렌드가 비정질일 때 함침 매트릭스의 구성성분 열가소성 폴리머 또는 폴리머 블렌드의 Tg보다 더 크거나 또는 폴리머 또는 폴리머 블렌드가 반결정질일 때 함침 매트릭스의 구성성분 열가소성 폴리머 또는 폴리머 블렌드의 M.p. 보다 더 큰 용융점(M.p.)을 나타낸다. 따라서, 최종 복합재의 열가소성 매트릭스에 의한 함침 동안 섬유 재료의 구성성분 유기 섬유가 용융될 위험이 없다. 식물성 기원의 섬유 중에서는, 아마, 대마, 리그닌, 대나무, 실크, 특히 거미 실크, 사이잘삼(sisal), 및 다른 셀룰로스 섬유, 특히 비스코스 섬유에 기반한 천연 섬유가 언급될 수 있다. 이러한 식물성 기원의 섬유는 열가소성 폴리머 매트릭스의 접착 및 함침을 용이하게 할 목적으로 순수하게, 처리되거나 또는 달리 코팅 층으로 코팅되어 사용될 수 있다.
[0034] 이는 또한 지지 얀(support yarn)을 갖는 섬유에 상응할 수 있다.
[0035] 이러한 구성성분 섬유는 단독으로 또는 혼합물로서 사용될 수 있다. 따라서, 유기 섬유는 열가소성 폴리머가 함침되기 위해, 그리고 함침된 섬유 재료를 형성하기 위해 무기 섬유와 혼합될 수 있다.
[0036] 유기 섬유의 로빙은 여러 평량을 가질 수 있다. 또한, 이들은 여러 기하학적 구조를 나타낼 수 있다.
[0037] 섬유는 2D 패브릭, 부직포(NCF), 단방향(UD) 섬유 또는 부직포의 브레이드 또는 로빙을 구성하는 연속 섬유의 형태로 제공된다. 섬유 재료의 구성성분 섬유는 추가로 다양한 기하학적 구조의 이러한 강화 섬유의 혼합물의 형태일 수 있다. 바람직하게는, 원통형 엘리먼트의 인발성형된 섬유 재료에 포함된 섬유는 건조 섬유의 브레이드이다.
[0038] 바람직하게는, 섬유 재료는 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유 및 현무암-기반 섬유로부터 선택된다. 제1 유리한 구현예에 따르면, 섬유 재료는 유리 섬유로부터 선택된다. 두 번째 유리한 구현예에 따르면, 섬유 재료는 탄소 섬유로부터 선택된다. 세 번째 유리한 구현예에 따르면, 섬유 재료는 현무암-기반 섬유로부터 선택된다.
[0039] 유리하게는, 섬유는 로빙 또는 여러 로빙의 형태로 사용된다.
열가소성 매트릭스
[0040] 용어 "열가소성" 또는 "열가소성 폴리머"는 주위 온도에서 일반적으로 고체이고, 반결정질 또는 비정질일 수 있고, 온도 증가 동안, 특히 그것의 유리 전이 온도(Tg)를 통과한 후에 연화되고, 비정질일 때 더 높은 온도에서 유동하거나, 반결정질일 때 그것의 "용융"점(M.p.)을 통과할 때 명백한 용융을 나타낼 수 있고, 그것의 결정화점(반결정질 폴리머의 경우) 미만 및 그것의 유리 전이 온도(비정질 폴리머의 경우) 미만의 온도 감소 동안 다시 고체가 되는 재료를 의미하는 것으로 이해된다.
[0041] 하기 Tg로 표시되는 유리 전이 온도, 및 하기 M.p.로 표시되는 용융점은 각각 표준 ISO 11357-2:2013 및 11357-3:2013에 따라 시차 주사 열량측정법(DSC)에 의해 결정된다.
[0042] 열가소성 폴리머는 50℃ 이상, 특히 100℃ 이상, 특히 120℃ 이상, 특히 140℃ 이상의 유리 전이 온도(Tg)를 나타내는 비정질 폴리머, 또는 150℃ 초과인 용융점(M.p.)을 나타내는 반결정질 열가소성 폴리머일 수 있다.
[0043] 매트릭스는 "열가소성"으로 기재되며, 이는 매트릭스의 주요 성분이 열가소성 폴리머 또는 열가소성 폴리머의 블렌드임을 의미한다.
[0044] 유리하게는, 상기 적어도 열가소성 폴리머는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 특히 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK); 폴리(아릴 에테르 케톤 케톤)(PAEKK), 특히 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK); 방향족 폴리에테르이미드(PEI); 폴리아릴 설폰, 특히 폴리페닐렌 설폰(PPSU); 폴리아릴 설파이드, 특히 폴리페닐렌 설파이드(PPS); 폴리아미드(PA), 특히 우레아 단위에 의해 선택적으로 개질된 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드); PEBA(이의 M.p.는 150℃ 초과임); 폴리아크릴레이트, 특히 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA); 폴리프로필렌을 제외한 폴리올레핀; 폴리락트산(PLA); 폴리비닐 알코올(PVA); 플루오로폴리머, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE); 폴리비닐 클로라이드(PVC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 폴리머 및 이들의 블렌드, 특히 PEKK와 PEI의 블렌드(바람직하게는 90 내지 10 중량% 대 60 내지 40 중량%, 특히 90 내지 10 중량% 대 중량% 내지 70 내지 30 중량%)로부터 선택된다.
[0045] 유리하게는, 상기 적어도 열가소성 폴리머는 폴리아미드, 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드 및 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드), PEKK, PEI 및 PEKK와 PEI의 블렌드로부터 선택된다.
[0046] 폴리아미드를 정의하기 위해 사용되는 명명법은 표준 NF EN ISO 1874-1:2011, "Plastics - Polyamide (PA) Molding and Extrusion Materials - Part 1: Designation", 특히 3페이지(표 1 및 2)에 기재되어 있으며, 당업자에게 잘 알려져 있다.
[0047] 폴리아미드는 호모폴리아미드 또는 코폴리아미드 또는 이들의 블렌드일 수 있다.
[0048] 고온을 견뎌야 하는 탱크의 경우, 폴리(아릴 에테르 케톤) PAEK, 예컨대, 폴리(에테르 케톤) PEK, 폴리(에테르 에테르 케톤) PEEK, 폴리(에테르 케톤) PEKK, 폴리(에테르 케톤 에테르 케톤 케톤)(PEKEKK) 또는 높은 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 PA가 본 발명에 따라 유리하게 사용된다.
[0049] 유리하게는, 상기 폴리아미드는 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드 및 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드)로부터 선택된다.
[0050] 유리하게는, 지방족 폴리아미드는 폴리아미드 6(PA6), 폴리아미드 11(PA11), 폴리아미드 12(PA12), 폴리아미드 66(PA66), 폴리아미드 46(PA46), 폴리아미드 610(PA610), 폴리아미드 612(PA612), 폴리아미드 1010(PA1010), 폴리아미드 1012(PA1012), 폴리아미드 11/1010(PA11/1010) 및 폴리아미드 12/1010(PA12/1010), 또는 이들의 블렌드 또는 이들의 코폴리아미드, 및 블록 코폴리머, 특히 폴리아미드/폴리에테르(PEBA) 코폴리머로부터 선택되며, 반방향족 폴리아미드는 우레아 단위에 의해 선택적으로 개질된 반방향족 폴리아미드, 특히 PA MXD6 및 PA MXD10, 또는 EP 1 505 099에 기재된 바와 같은, 화학식 X/YAr의 반방향족 폴리아미드, 특히 화학식 A/XT의 반방향족 폴리아미드이며, 화학식 A/XT에서,
- A는 아미노산으로부터 수득된 단위, 락탐으로부터 수득된 단위 및 화학식 (Ca 디아민).(Cb 이산)에 상응하는 단위로부터 선택되며, 여기서 a는 디아민의 탄소 원자의 수를 나타내고, b는 이산의 탄소 원자의 수를 나타내고, a 및 b는 각각 4 내지 36, 유리하게는 9 내지 18이고, (Ca 디아민) 단위는 선형 또는 분지형 지방족 디아민, 지환족 디아민 및 알킬방향족 디아민으로부터 선택되고, (Cb 이산) 단위는 선형 또는 분지형 지방족 이산, 지환족 이산 및 방향족 이산으로부터 선택되고;
- XT는 Cx 디아민과 테레프탈산(T)의 중축합으로부터 수득된 단위를 나타내고, 여기서 x는 Cx 디아민의 탄소 원자의 수를 나타내고, x는 6 내지 36, 유리하게는 9 내지 18이다. 유리하게는, 반방향족 폴리아미드는 화학식 A/6T, A/9T, A/10T 또는 A/11T이고, A는 상기 정의된 바와 같고, 특히 폴리아미드 PA 6/6T, PA 66/6T, PA 6I/6T, PA MPMDT/6T, PA 11/10T, PA 11/6T/10T, PA MXDT/10T, PA MPMDT/10T, PA BACT/10T, PA BACT/6T, PA BACT/10T /6T 또는 PA 11/BACT/10T이고; T는 테레프탈산에 상응하고, MXD는 m-크실릴렌디아민에 상응하고, MPMD는 메틸펜타메틸렌디아민에 상응하고, BAC는 비스(아미노메틸)사이클로헥산에 상응한다.
[0051] 유리하게는, 상기 열가소성 폴리머는 반결정질 폴리머이다.
[0052] 유리하게는, 상기 반결정질 폴리머는 Tg ≥ 80℃, 특히 Tg ≥ 100℃, 특히 ≥ 120℃, 특히 ≥ 140℃, 및 M.p. ≥ 150℃가 되도록 하는 유리 전이 온도를 나타낸다.
[0053] 후자의 경우, 상기 적어도 반결정질 열가소성 폴리머는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 특히 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK); 폴리(아릴 에테르 케톤 케톤)(PAEKK), 특히 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK); 방향족 폴리에테르이미드(PEI); 폴리아릴 설폰, 특히 폴리페닐렌 설폰(PPSU); 폴리아릴 설파이드, 특히 폴리페닐렌 설파이드(PPS); 폴리아미드(PA), 특히 우레아 단위에 의해 선택적으로 개질된 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드); 폴리아크릴레이트, 특히 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA); 폴리프로필렌을 제외한 폴리올레핀; 폴리락트산(PLA); 폴리비닐 알코올(PVA); 폴리비닐 클로라이드(PVC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 폴리머; 및 이들의 블렌드, 특히 PEKK와 PEI의 블렌드(바람직하게는 90 내지 10 중량% 대 60 내지 40 중량%, 특히 90 내지 10 중량% 대 중량% 내지 70 내지 30 중량%)로부터 선택된다.
[0054] 보다 유리하게는, 후자의 경우, 상기 적어도 열가소성 폴리머는 폴리아미드, 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드 및 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드), PEKK, PEI 및 PEKK와 PEI의 블렌드로부터 선택된다.
함침된, 인발성형된 섬유 재료
[0055] "사용 준비가 된(ready for use)" 재료로도 지칭되는 함침된 재료에서, 함침 열가소성 폴리머 또는 열가소성 폴리머의 블렌드는 섬유 주위에 균일하고 균질하게 분포된다. 이러한 유형의 재료에서, 함침 열가소성 폴리머는 최소의 다공성, 즉, 섬유 사이의 최소 공극을 얻기 위해 섬유 내에 가능한 한 균질하게 분포되어야 한다. 구체적으로, 이러한 유형의 재료에서 다공성의 존재는, 예를 들어, 기계적 인장 응력 하에 놓이는 동안 응력의 집중 지점으로서 작용할 수 있고, 이는 이후 함침된 섬유 재료의 파괴 개시 지점을 형성하고 이를 기계적으로 약화시킨다. 따라서, 폴리머 또는 폴리머들의 블렌드의 균질한 분포는 이러한 함침된 섬유 재료로부터 형성된 복합 재료의 기계적 강도 및 균질성을 개선한다.
[0056] 유리하게는, 상기 인발성형된 함침된 섬유 재료에서 섬유의 함량은 인발성형된 함침된 섬유 재료의 부피에 대해 45 부피% 내지 70 부피%, 바람직하게는 50 부피% 내지 70 부피%, 바람직하게는 50 부피% 내지 60 부피%, 특히 54 부피% 내지 60 부피%이다.
[0057] 일반적으로 섬유 함량의 측정은 섬유의 표면적을 원통형 엘리먼트의 표면적으로 나누어(함침된 표면적 + 다공성의 표면적) 원통형 엘리먼트 단면의 이미지 분석(특히, 현미경 또는 카메라 또는 디지털 카메라의 사용)을 통해 수행될 수 있다. 우수한 품질의 이미지를 얻기 위해, 횡방향을 가로질러 절단된 원통형 엘리먼트를 표준 연마 수지로 코팅하고, 적어도 6배 배율의 현미경으로 샘플의 관찰을 가능하게 하는 표준 프로토콜로 연마하는 것이 바람직하다. 분석될 이미지 크기는 섬유 직경의 10 내지 12배이다. 상이한 위치(단면)에서 5 내지 40개의 이미지가 촬영된다. 평균은 모든 이미지에 대해 취해지며 부피로 재계산된다.
[0058] 추가적인 섬유 보강재의 일부에서 섬유 함량의 측정을 위해, 추가적인 섬유 보강재가, 열가소성 매트릭스가 함침된 연속 섬유를 기반으로 하는 섬유 재료인 경우, 추가적인 섬유 보강재의 섬유의 방향에 수직인 단면을 제외하고 동일한 측정이 이루어진다.
[0059] 섬유가 탄소 섬유인 경우, 탄소 섬유의 함량의 측정은 ISO 14127:2008에 따라 결정될 수 있다.
[0060] 섬유가 유리 섬유인 경우, 섬유 함량의 측정은 ISO 1172:1999에 따라 결정된다.
[0061] 유리하게는, 상기 함침된 섬유 재료의 다공도는 10% 미만, 특히 5% 미만, 특히 2% 미만이다.
[0062] 0의 다공도는 달성하기 어렵고, 결과적으로, 유리하게는, 다공도는 0% 초과이지만 상기 언급된 정도 미만임에 유의해야 한다.
[0063] 다공도는 폐쇄된 다공도에 상응하며, 전자 현미경에 의해 결정될 수 있거나, 또는 EP 3 418 323의 실시예 부분에 기재된 바와 같이 상기 함침된 섬유 재료의 이론 밀도와 실험 밀도 사이의 상대 편차로서 결정될 수 있다.
[0064] 복합 재료는 기밀성이고 불활성이며 가압 유체의 내부 압력에 저항성이다.
[0065] 바람직하게는, 본 발명에 따른 탱크는 섬유로서, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유 및 현무암-기반 섬유로부터 선택된 섬유를 포함하는 섬유 재료, 및 열가소성 매트릭스로서, 폴리아미드, 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드, 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드), PEKK, PEI 및 PEKK와 PEI의 블렌드로부터 선택된 폴리머를 포함한다.
[0066] 따라서, 함침된 섬유 재료는 원통 형태의 인발성형에 의해 제조된다.
[0067] 일 구현예에 따르면, 원통형 엘리먼트의 내부 직경은 50 내지 150 mm일 수 있다. 이러한 직경 크기는 특히, 예를 들어, 자동차 또는 트레일러 섀시용 배터리 팩을 위한 탱크를 타깃으로 한다.
[0068] 또 다른 구현예에 따르면, 원통형 엘리먼트의 내부 직경은 150 mm 초과일 수 있다. 이러한 직경 크기는 특히 수소 수송 트레일러 탱크를 타깃으로 한다.
[0069] 원통형 엘리먼트의 길이는 25 cm 내지 10 m, 바람직하게는 50 cm 내지 3 m일 수 있다. 당업자는 탱크의 의도된 목적에 따라 원통형 엘리먼트의 치수를 조정하는 방법을 알 것이다.
[0070] 또 다른 구현예에 따르면, 탱크의 벽의 두께 대 그것의 내부 직경의 비는 0.05 내지 0.20, 바람직하게는 0.08 내지 0.12일 수 있다.
캡
[0071] 본 발명에 따른 탱크는 그것의 단부에 2개의 캡을 포함한다. 이러한 캡은 일반적으로 금속으로 제조되며, 바람직하게는 알루미늄 합금으로 제조된다.
[0072] 제1 캡은 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된다. 따라서 이는 탱크의 바닥을 구성한다.
[0073] 제2 캡은 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치된다. 제2 캡은 밸브일 수 있다.
[0074] 본 발명에 따른 탱크의 한 구현예에 따르면, 탱크를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡에는 또한 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착될 수 있다.
[0075] 캡은 반구형 돔 형상 또는 원뿔 형상을 가질 수 있다.
[0076] 엘라스토머 시일(seal)은 탱크의 기밀성을 보장하기 위해 캡과 원통형 엘리먼트 사이에 배치될 수 있다.
추가적인 섬유 보강재
[0077] 본 발명에 따른 탱크는 또한 원통형 엘리먼트(들) 및 선택적으로 캡을 둘러싸는 적어도 하나의 추가적인 섬유 보강재를 부분적으로 또는 완전히, 특히 완전히 포함한다.
[0078] 본 발명의 의미 내에서, 용어 "섬유 보강재"는 최종 부품에 더 큰 기계적 강도를 부여하는 섬유를 포함하는 재료를 의미하는 것으로 이해된다.
[0079] 추가적인 섬유 보강재는 건조 연속 섬유, 열가소성 매트릭스가 함침된 연속 섬유에 기반한 섬유 재료, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.
[0080] 추가적인 섬유 보강재가 건조 섬유일 때, 후자는 상기 정의된 것들로부터 선택될 수 있다.
[0081] 추가적인 섬유 보강재가 열가소성 매트릭스가 함침된 연속 섬유를 기반으로 하는 섬유 재료인 경우, 이는 원통형 엘리먼트를 구성하는 섬유 재료와 동일하거나 상이할 수 있다.
[0082] 추가적인 섬유 보강재가 열가소성 매트릭스가 함침된 연속 섬유를 기반으로 하는 섬유 재료일 때, 탱크에 함유된 매트릭스 및 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%인 탱크의 섬유의 총 함량은 인발성형된 열가소성-함침된 섬유 재료의 매트릭스 및 추가적인 섬유 보강재의 매트릭스를 고려한 것이다. 즉, 탱크의 섬유의 총 함량은 탱크에 함유된 매트릭스 및 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%이다.
[0083] 한 구현예에 따르면, 추가적인 섬유 보강재는 건조 섬유의 브레이드, 열가소성 수지가 함침된 섬유 테이프의 브레이드, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.
[0084] 따라서, 제1 구현예에 따르면, 섬유 재료에 포함된 섬유는 건조 섬유의 브레이드일 수 있고, 추가적인 섬유 보강재는 또한 건조 섬유의 브레이드일 수 있다.
[0085] 제2 구현예에 따르면, 섬유 재료에 포함된 섬유는 연속 섬유의 로빙일 수 있고, 추가적인 섬유 보강재는 또한 건조 섬유의 브레이드일 수 있다.
[0086] 제3 구현예에 따르면, 섬유 재료에 포함된 섬유는 섬유의 브레이드일 수 있고, 추가적인 섬유 보강재는 또한 건조 연속 섬유의 로빙일 수 있다.
[0087] 제4 구현예에 따르면, 섬유 재료에 포함된 섬유는 섬유의 브레이드일 수 있고, 추가적인 섬유 보강재는 또한 함침된 연속 섬유의 로빙일 수 있다.
[0088] 제5 구현예에 따르면, 섬유 재료에 포함된 섬유는 연속 섬유의 로빙일 수 있고, 추가적인 섬유 보강재는 또한 함침된 연속 섬유의 로빙일 수 있다.
[0089] 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스는 원통형 엘리먼트의 것과 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 원통형 엘리먼트의 열가소성 매트릭스는 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스와 완전히 또는 부분적으로 혼화성이다. 이러한 완전한 또는 부분적인 혼화성은 원통형 엘리먼트의 벽과 추가적인 섬유 보강재의 층 사이의 접착을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
[0090] 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 탱크는 원통형 엘리먼트(이의 열가소성 매트릭스는 PVC로 제조됨), 및 섬유 보강재(이의 폴리머 매트릭스는 아크릴로 제조됨)를 포함할 수 있다.
[0091] 본 발명의 또 다른 특정 구현예에 따르면, 탱크는 원통형 엘리먼트(이의 열가소성 매트릭스는 ABS로 제조됨), 및 섬유 보강재(이의 폴리머 매트릭스는 아크릴로 제조됨)를 포함할 수 있다.
[0092] 본 발명의 또 다른 특정 구현예에 따르면, 탱크는 원통형 엘리먼트(이의 열가소성 매트릭스는 폴리아미드로 제조됨), 및 섬유 보강재(이의 폴리머 매트릭스는 폴리프탈아미드로 제조됨)를 포함할 수 있다.
[0093] 바람직하게는, 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스는 150℃ 초과의 용융점을 나타낸다.
[0094] 바람직하게는, 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스는 80℃ 초과, 바람직하게는 100℃ 초과 및 더욱 특히 120℃ 초과의 유리 전이 온도를 나타낸다.
[0095] 더욱 특히, 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스는 150℃ 초과의 용융점 및 80℃ 초과, 바람직하게는 100℃ 초과 및 더욱 특히 120℃ 초과의 유리 전이 온도를 나타낸다.
[0096] 섬유 보강재의 층의 두께는 0.5 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있다.
[0097] 섬유의 총 함량은 매트릭스 및 섬유의 부피의 합에 대해 40 부피% 내지 70 부피%, 바람직하게는 50 부피% 내지 70 부피%이다.
[0098] 본 발명의 의미 내에서, 용어 "섬유의 총 함량"은 탱크, 즉, 원통형 엘리먼트 및 추가적인 섬유 보강재에 함유된 섬유의 함량의 합을 의미하는 것으로 이해된다.
[0099] 추가적인 섬유 보강재는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축과 상이한 축을 따라, 바람직하게는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축에 대해 +/-10° 내지 +/-89°의 각도로, 바람직하게는, 원통형 엘리먼트의 축으로부터 +/- 25° 내지 +/- 89°, 보다 바람직하게는 +/- 45° 내지 +/- 89°의 각도로 위치된 섬유를 포함한다.
[0100] 즉, 원통형 엘리먼트의 길이방향 축은 0° 축을 구성하고, 추가적인 보강재의 섬유의 방향은 제2 축을 구성한다. 이러한 두 축 사이의 각도는 상기 정의된 바와 같다. +/- 기호는 추가적인 섬유 보강재의 섬유가 원통형 엘리먼트의 축에 따라 우측에 또는 좌측에 위치하는 지의 여부를 나타낸다.
[0101] 상이한 축에서의 섬유 보강재의 침착은 탱크 벽의 내부 압력에 대한 저항을 증가시키는 것을 가능하게 하는 것으로 관찰되었다.
[0102] 바람직하게는, 원통형 엘리먼트의 재료에 포함된 섬유의 일부는 원통형 엘리먼트의 길이방향 축에 위치된다. 보다 특히, 원통형 엘리먼트의 재료에 포함된 모든 섬유는 원통형 엘리먼트의 축을 따라 위치된다.
[0103] 한 구현예에 따르면, 탱크는 라이너로도 지칭되는, 섬유를 포함하지 않는 하나 이상의 열가소성 수지 층을 포함하는 제2 원통형 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이러한 제2 원통형 엘리먼트는 탱크의 기밀성을 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 이는 또한 탱크의 압력에 대한 저항을 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있고, 실제로 심지어 최종 부품의 내화학성을 강화시킬 수 있다.
[0104] 즉, 본 발명에 따른 탱크는 라이너, 이어서, 상기 정의된 바와 같은 원통형 엘리먼트, 이어서 상기 정의된 바와 같은 추가적인 섬유 보강재를 포함할 수 있다.
[0105] 탱크의 길이 및 직경은 더 크거나 작을 수 있다. 이러한 치수는 저장될 유체 및 탱크를 수용할 구조에 따라 다양하다.
[0106] 바람직하게는, 본 발명에 따른 탱크는,
- 하나 이상의 원통형 엘리먼트 ― 이의 섬유는 원통형 엘리먼트의 축에 위치됨 ―, 및
- 하나 이상의 추가적인 섬유 보강재 ― 이의 섬유는 원통형 엘리먼트의 축과 상이한 축에 위치됨 ―를 포함하며,
캡이 크림핑(crimping)에 의해 원통형 엘리먼트(들)의 단부에 고정된다. 이 구현예에 따르면, 캡은 반구형이 아니다.
[0107] 본 발명의 의미 내에서, 용어 "크림핑"은 추가적인 섬유 보강재가 캡 위에서 파쇄되거나 평평해지는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
[0108] 바람직하게는, 추가적인 섬유 보강재는 캡 위에 미리 평평하게 되어 있는, 원통형 엘리먼트를 부분적으로 또는 완전히, 바람직하게는 완전히 둘러싸는 층이며, 층은 열가소성 수지가 함침된 섬유 재료로 제조된다.
[0109] 특히 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 탱크는,
- 하나 이상의 원통형 엘리먼트 ― 이의 섬유는 원통형 엘리먼트의 축에 위치됨 ―, 및
- 추가적인 섬유 보강재 섬유 ― 이의 섬유는 원통형 엘리먼트의 축에 대해 +/-45° 내지 +/-89°에 위치됨 ―를 포함한다.
[0110] 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 탱크는,
- 하나 이상의 원통형 엘리먼트 ― 섬유 재료에 포함된 섬유는 브레이드임 ―, 및
- 하나 이상의 추가적인 섬유 보강재 ― 이의 섬유는 원통형 엘리먼트의 브레이드의 축과 상이한 축을 따라 위치된 건조 또는 함침된 섬유의 브레이드임 ― 를 포함한다.
[0111] 한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 탱크는 함께 연결되고 250 mm 미만, 바람직하게는 150 mm 미만의 내부 직경을 나타내는 여러 원통형 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이 구현예에 따르면, 탱크는,
- 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡, 이어서
- 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료로 제조된 원통형 엘리먼트, 이어서
- 유체의 진입 및 배출 및 인접한 원통형 엘리먼트와의 연결 둘 모두를 가능하게 하는 연결 피스, 이어서
- 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료로 제조된 원통형 엘리먼트;
(이 순서: 원통형 엘리먼트-연결 피스는 필요에 따라 여러 번 반복될 수 있음); 이어서
- 탱크 전체로부터 유체의 진입 및 배출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치된 최종 캡을 포함한다.
[0112] 본 발명은 또한 본 발명에 따른 탱크의 제조 방법에 관한 것이다. 공정은 다음의 연속적인 단계를 포함한다:
(a) 원통형 엘리먼트의 인발성형 단계,
(b) 단계 (a)의 종료시 수득된 원통형 엘리먼트의 단부에 캡을 배치하는 단계,
(c) 추가적인 섬유 보강재의 침착 단계.
[0113] 한 구현예에 따르면, 추가적인 섬유 보강재의 침착 단계는 원통형 엘리먼트 및 이의 캡 주위에 추가적인 섬유 보강재의 테이프를 와인딩함으로써 수행될 수 있다. 이러한 침착은 캡 및 원통형 엘리먼트에 압력을 가하도록 특정 기계적 응력 하에 수행될 수 있다.
[0114] 또 다른 구현예에 따르면, 캡은 원통형 엘리먼트의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 나타낸다. 따라서, 캡은 원통형 엘리먼트에 삽입될 수 있다. 이 경우, 섬유 보강재는 원통형 엘리먼트만을 와인딩한다. 이는 후자가 이미 캡을 둘러싸기 때문이다.
[0115] 끝으로, 본 발명은 압축된 형태, 액체 형태 또는 또한 동결압축된 형태의, 가스와 같은 유체, 및 특히 수소, 천연 가스, LPG, LNG, 압축 공기, 질소 또는 산소의 저장, 수송 및/또는 분배를 위한 본 발명에 따른 탱크의 용도에 관한 것이다.
도면의 설명
[0116] 본 발명에 따른 공정은 도 1에 의해 예시될 수 있다.
[0117] 도 1은 인발성형 공정을 도시한 것이다. 엘리먼트(1)는 압출된 튜브(원통형 엘리먼트로서)이며, 이는 최종 인발성형된 엘리먼트에 형상을 부여하는 것을 가능하게 할 것이다. 건조 섬유(3)는 크릴(2)에 의해 지지된 릴을 떠나 함침 구역(4)으로 통과한다. 이 구역(4)은 액체 수지의 배스 또는 수지의 주입을 위한 헤드를 포함한다. 인발성형 다이(5)는 인발성형된 함침된 섬유를 안내하여 인발성형된 층(6)을 생성한다. 인발성형된 함침된 섬유는 가열 엘리먼트(7)에 의해 발생된 가열을 거친다. 릴(8)은 각도(9)에 따라 인발성형된 튜브 주위에 와인딩될 추가적인 섬유 보강재를 지지한다. 전체 인발성형된 튜브는 풀러(10)에 의해 당겨진다. 인발성형된 튜브는 후속하여 절단 기구(11)에 의해 절단된다.
[0118] 도 2는 또 다른 인발성형 공정을 예시한다. 엘리먼트(21)는 압출된 튜브이며, 이는 최종 인발성형된 엘리먼트에 형상을 부여하는 것을 가능하게 할 것이다. 수지(23)가 함침된 섬유는 크릴(22)에 의해 지지된 릴을 떠나 인발성형 다이(24)로 전달된다. 후자는 함침된 섬유를 안내하고 이들을 컨폼(conform)하여, 인발성형된 층(25)을 생성한다. 인발성형된 함침 섬유는 가열 엘리먼트(26)에 의해 발생된 가열을 거친다. 릴(27)은 각도(28)에 따라 인발성형된 튜브 주위에 와인딩될 추가적인 섬유 보강재를 지지한다. 전체 인발성형된 튜브는 풀러(29)에 의해 당겨진다. 인발성형된 튜브는 후속하여 절단 기구(30)에 의해 절단된다.
실시예
[0119] 실시예 1
[0120] 170 mm의 외부 직경 및 2 mm의 두께를 나타내는 원형 단면의 복합 튜브를 단일-스크류 압출기에 연결된 관형 다이를 사용하여 용융 함침 공정에 의해 0.5 m/분의 속도로, 인발성형에 의해 제조하였다. 인발성형에 사용된 수지는 섬유의 우수한 함침을 얻을 수 있게 하는 저점도의 폴리아미드 11 등급(기준 Rilsan® FMNO)이다. 이 폴리아미드 11 수지는 190℃의 M.p.(표준 ISO 11357-3:2013에 따라 측정됨)를 나타내었고 인발성형 다이에서의 온도는 250℃였다. 사용된 섬유는 SGL(참조: Sigrafil C-T 50 4.8/280 T140)에 의해 판매되는 50K 탄소 섬유였다. 섬유 함량은 45 부피%였다(인발성형된 튜브의 부피에 대한 섬유 함량). 인발성형 다이에서 섬유의 배향은 전적으로 튜브의 축을 따른 것이었다.
[0121] 튜브를 1.5 m의 길이로 절단하였다. 길이가 20 mm인 2개의 캡을 튜브의 2개의 단부 각각에 놓았다. 캡과 튜브 사이의 계면에 Rubson® 브랜드의 기밀성 시일을 두었다. 이러한 캡은 수소에 사용되는 표준 커넥터와의 연결을 가능하게 하는, M25 나사 구멍으로 천공된 직경 80 mm의 알루미늄 실린더로 구성되었다.
[0122] 수지가 함침되지 않은 Hyosung H2550 G10 탄소 섬유로 구성된 추가적인 보강재(즉, 건조 섬유 보강재)를 4 mm의 두께에 걸쳐 인발성형된 튜브 주위에 나선형으로 와인딩하여 캡에 대한 튜브 내부 압력에 의해 가해진 힘을 흡수하였다. 후속하여, 건조 섬유로 구성된 섬유 보강재를 4 mm의 두께에 걸쳐 튜브의 축으로부터 85°로 와인딩하였다. 튜브를 이들 단부 중 하나에서 M25 나사형 플러그로 폐쇄한 다음, 파열될 때까지 주위 온도에서 가압하였다. 측정된 파열 압력은 1600 bar였다.
[0123] 실시예 2
[0124] 170 mm의 외부 직경 및 2 mm의 두께를 나타내는 원형 단면의 복합 튜브를 단일-스크류 압출기에 연결된 관형 다이를 사용하여 용융 함침 공정에 의해 0.5 m/분의 속도로, 인발성형에 의해 제조하였다. 인발성형에 사용된 수지는 섬유의 우수한 함침을 얻을 수 있게 하는 저점도의 폴리아미드 11 등급(기준 Rilsan® FMNO)이다. 이 폴리아미드 11 수지는 190℃의 M.p.(표준 ISO 11357-3:2013에 따라 측정됨)를 나타내었고 인발성형 다이에서의 온도는 250℃였다. 사용된 섬유는 SGL(참조: Sigrafil C-T 50 4.8/280 T140)에 의해 판매되는 50K 탄소 섬유였다. 섬유 함량은 45 부피%였다(인발성형된 튜브의 부피에 대한 섬유 함량). 인발성형 다이에서 섬유의 배향은 전적으로 튜브의 축을 따른 것이었다.
[0125] 튜브를 1.5 m의 길이로 절단하였다. 길이가 20 mm인 2개의 캡을 튜브의 2개의 단부 각각에 놓았다. 캡과 튜브 사이의 계면에 Rubson® 브랜드의 기밀성 시일을 두었다. 이러한 캡은 수소에 사용되는 표준 커넥터와의 연결을 가능하게 하는, M25 나사 구멍으로 천공된 직경 80 mm의 알루미늄 실린더로 구성되었다.
[0126] ½"의 폭을 갖는 복합 테이프로 구성된 추가적인 섬유 보강재를 4 mm의 두께에 걸쳐 인발성형된 튜브 주위에 나선형으로 와인딩하여 캡에 대한 튜브 내부의 압력에 의해 가해진 힘을 흡수하였다. 후속하여, 복합 테이프를 4 mm의 두께에 걸쳐 튜브의 축에 수직으로(테이프의 폭 및 인발성형된 튜브의 직경을 고려할 때, 섬유의 각도는 약 85°임) 와인딩하였다. 복합 테이프를 50℃의 유리 전이 온도(표준 ISO 11357-2:2013에 따라 DSC로 측정)를 나타내는 폴리아미드 11 유형의 수지(Rilsan® FMNO 참조)가 함침된 Hyosung H2525 G10 탄소 섬유로 구성하였다. 섬유 함량은 55 부피%였다(복합 테이프의 부피에 대해). 270℃의 온도 및 0.3 m/s의 속도로 Coriolis® Solo 브랜드의 레이저 가열에 의한 자동 침착 공정에 의해 복합 테이프를 사용하였다.
[0127] 튜브를 이들 단부 중 하나에서 M25 나사형 플러그로 폐쇄한 다음, 파열될 때까지 주위 온도에서 가압하였다. 측정된 파열 압력은 1670 bar였다.
[0128] 실시예 3
[0129] 170 mm의 외부 직경 및 2 mm의 두께를 나타내는 원형 단면의 복합 튜브를, 단일-스크류 압출기에 연결된 관형 다이를 사용하여 용융 함침 공정에 의해 0.5 m/분의 속도로, 인발성형에 의해 제조하였다. 인발성형에 사용된 수지는 섬유의 우수한 함침을 얻을 수 있게 하는 저점도의 폴리아미드 11 등급(기준 Rilsan® FMNO)이다. 이 폴리아미드 11 수지는 190℃의 M.p.(표준 ISO 11357-3:2013에 따라 측정됨)를 나타내었고 인발성형 다이에서의 온도는 250℃였다. 사용된 섬유는 SGL(참조: Sigrafil® C-T 50 4.8/280 T140)에 의해 판매되는 50K 탄소 섬유였다. 섬유 함량은 45 부피%였다(인발성형된 튜브의 부피에 대한 섬유 함량). 인발성형 다이에서 섬유의 배향은 전적으로 튜브의 축을 따른 것이었다.
[0130] 인발성형된 튜브를 1.5 m 길이의 세그먼트로 절단하였다. 각 세그먼트를 튜브의 축을 따라 이의 단부에서 40 mm의 길이를 갖는 스트립으로 절단하고, 이러한 단부를 150℃로 가열하고, 튜브의 2개의 단부 각각에 배치된 길이가 20 mm인 2개의 캡을 덮도록 성형하였다. 이러한 캡은 수소에 사용되는 표준 커넥터와의 연결을 가능하게 하는, M25 나사 구멍으로 천공된 직경 80 mm의 알루미늄 실린더로 구성되었다.
[0131] ½"의 폭을 갖는 복합 테이프로 구성된 추가적인 섬유 보강재를 이의 축에 수직으로(테이프의 폭 및 인발성형된 튜브의 직경을 고려할 때, 섬유의 각도는 대략 85°였음), 그리고 6 mm의 두께에 걸쳐 튜브 주위를 와인딩하였다. 이 테이프는 또한 캡의 크림핑을 수행하기 위해 금속 캡 위에 성형된, 튜브의 단부 주위에 (섬유에 대해 동일한 와인딩 각도로) 와인딩하였다. 복합 테이프를 140℃의 유리 전이 온도(표준 ISO 11357-2:2013에 따라 DSC에 의해 측정됨)를 나타내는 PA 11/BACT/10T 유형의 수지가 함침된 Hyosung H2525 G10 탄소 섬유로 구성되었다. 섬유 함량은 55 부피%였다(복합 테이프의 부피에 대해). 330℃의 온도 및 0.3 m/s의 속도로 Coriolis® Solo 브랜드의 레이저 가열에 의한 자동 침착 공정에 의해 복합 테이프를 사용하였다.
[0132] 동일한 유형의 2개의 튜브를 제조하고, M25 나사형 캡이 장착된 직경 30 mm의 커넥터에 의해 함께 연결하고, 튜브 중 하나를 M25 나사형 플러그에 의해 이의 단부 중 하나에서 폐쇄하였다. 이렇게 형성된 탱크는 60 l의 부피를 나타내었고, 23℃의 온도에서 압력 시험되었다: 측정된 파열 압력은 1750 bar였다.

Claims (24)

  1. 가압 유체를 함유하기 위한 탱크로서,
    - 열가소성 매트릭스가 함침된, 인발성형된 섬유 재료(pultruded fibrous material)로 제조된 적어도 하나의 원통형 엘리먼트(cylindrical element),
    - 이를 폐쇄하는 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 일 단부에 배치된 제1 캡 및
    - 적어도 하나의 원통형 엘리먼트의 다른 단부에 배치되고, 상기 유체의 진입 및 유출을 가능하게 하도록 의도된 오리피스가 장착된 제2 캡, 및
    - 상기 원통형 엘리먼트(들) 및 선택적으로 캡을 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 적어도 하나의 추가적인 섬유 보강재를 포함하고,
    상기 추가적인 섬유 보강재에 함유된 상기 섬유는 상기 원통형 엘리먼트의 길이방향 축과 상이한 축을 따라 위치되고,
    상기 탱크의 섬유의 총 함량은 상기 탱크에 함유된 상기 매트릭스 및 상기 섬유의 부피에 대해 40 부피% 내지 70 부피%인, 탱크.
  2. 제1항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재가 건조 연속 섬유, 열가소성 매트릭스가 함침된 연속 섬유에 기반한 섬유 재료, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재가 원통형 엘리먼트의 축에 대해 +/-10°내지 +/-89°의 각도로 위치된 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 엘리먼트의 재료에 포함된 섬유의 일부가 상기 원통형 엘리먼트의 길이방향 축에 위치되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재가 건조 연속 섬유의 브레이드(braid), 열가소성 수지가 함침된 섬유 테이프의 브레이드, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 엘리먼트의 인발성형된 섬유 재료를 제조하는데 사용되는 섬유가 건조 섬유의 브레이드인 것을 특징으로 하는, 탱크.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재가, 캡 위에 미리 평평하게 되어 있는, 원통형 엘리먼트를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 층이고, 상기 층은 열가소성 수지가 함침된 섬유 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 엘리먼트의 열가소성 매트릭스가 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스와 완전히 또는 부분적으로 혼화성인 것을 특징으로 하는, 탱크.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재의 열가소성 매트릭스가 150℃ 초과의 용융점 및/또는 80℃ 초과의 유리 전이 온도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 엘리먼트의 열가소성 매트릭스가 주로 열가소성 폴리머 또는 열가소성 폴리머의 블렌드를 함유하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  11. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 특히 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK); 폴리(아릴 에테르 케톤 케톤)(PAEKK), 특히 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK); 방향족 폴리에테르이미드(PEI); 폴리아릴 설폰, 특히 폴리페닐렌 설폰(PPSU); 폴리아릴 설파이드, 특히 폴리페닐렌 설파이드(PPS); 폴리아미드(PA), 특히 우레아 단위에 의해 선택적으로 개질된 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드); PEBA(이의 M.p.는 150℃ 초과임); 폴리아크릴레이트, 특히 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA); 폴리프로필렌을 제외한 폴리올레핀; 폴리락트산(PLA); 폴리비닐 알코올(PVA); 플루오로폴리머, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE); 폴리비닐 클로라이드(PVC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 폴리머 및 이들의 블렌드로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  12. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 폴리아미드, 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드 및 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드), PEKK, PEI 및 PEKK와 PEI의 블렌드로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  13. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 지방족 폴리아미드, 지환족 폴리아미드 및 반방향족 폴리아미드(폴리프탈아미드)로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  14. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 폴리아미드 6(PA6), 폴리아미드 11(PA11), 폴리아미드 12(PA12), 폴리아미드 66(PA66), 폴리아미드 46(PA46), 폴리아미드 610(PA610), 폴리아미드 612(PA612), 폴리아미드 1010(PA1010), 폴리아미드 1012(PA1012), 폴리아미드 11/1010(PA11/1010) 및 폴리아미드 12/1010(PA12/1010), 또는 이들의 블렌드 또는 이들의 코폴리아미드로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  15. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 화학식 A/XT의 반방향족 폴리아미드로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크:
    - A는 아미노산으로부터 수득된 단위, 락탐으로부터 수득된 단위 및 화학식 (Ca 디아민).(Cb 이산)에 상응하는 단위로부터 선택되며, 여기서 a는 디아민의 탄소 원자의 수를 나타내고, b는 이산의 탄소 원자의 수를 나타내고, a 및 b는 각각 4 내지 36, 유리하게는 9 내지 18이고, (Ca 디아민) 단위는 선형 또는 분지형 지방족 디아민, 지환족 디아민 및 알킬방향족 디아민으로부터 선택되고, (Cb 이산) 단위는 선형 또는 분지형 지방족 이산, 지환족 이산 및 방향족 이산으로부터 선택되고;
    - XT는 Cx 디아민과 테레프탈산의 중축합으로부터 수득된 단위를 나타내며, 여기서 x는 Cx 디아민의 탄소 원자의 수를 나타내고, x는 6 내지 36, 유리하게는 9 내지 18이다.
  16. 제10항에 있어서, 열가소성 폴리머가 반방향족 폴리아미드는 화학식 A/6T, A/9T, A/10T 또는 A/11T로부터 선택되고, A는 상기 정의된 바와 같고, 특히 폴리아미드 PA 6/6T, PA 66/6T, PA 6I/6T, PA MPMDT/6T, PA 11/10T, PA 11/6T/10T, PA MXDT/10T, PA MPMDT/10T, PA BACT/10T, PA BACT/6T, PA BACT/10T /6T 또는 PA 11/BACT/10T이고; T는 테레프탈산에 상응하고, MXD는 m-크실릴렌디아민에 상응하고, MPMD는 메틸펜타메틸렌디아민에 상응하고, BAC는 비스(아미노메틸)사이클로헥산에 상응하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 재료가 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유 및 현무암-기반 섬유로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 연결되고 250 mm 미만, 바람직하게는 150 mm 미만의 내부 직경을 나타내는 여러 원통형 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 엘리먼트의 내부에, 섬유를 포함하지 않는 열가소성 수지의 하나 이상의 층으로 구성된 제2 원통형 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 탱크가 라이너를 함유하는 것을 특징으로 하는, 탱크.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 탱크의 제조 방법으로서, 하기 연속 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법:
    (a) 원통형 엘리먼트의 인발성형(pultrusion) 단계,
    (b) 단계 (a)의 종료시 수득된 원통형 엘리먼트의 단부에 캡을 배치하는 단계,
    (c) 추가적인 섬유 보강재의 침착 단계.
  22. 제21항에 있어서, 추가적인 섬유 보강재의 침착 단계가 원통형 엘리먼트 및 이의 캡 주위에 추가적인 섬유 보강재의 테이프를 와인딩함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 침착이 캡 및 원통형 엘리먼트에 압력을 가하기 위해 특정 기계적 응력 하에 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  24. 압축된 형태, 액체 형태 또는 또한 동결압축된 형태의, 가스와 같은 유체, 및 특히 수소, 천연 가스, LPG, LNG, 압축 공기, 질소 또는 산소의 저장, 수송 및/또는 분배를 위한, 제1항 내지 제xx항에 정의된 바와 같은 탱크의 용도.
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