CN103206612B - 一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺，包括：一轻金属内衬；复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层，该玄武岩纤维缠绕层形成于所述轻金属内衬外表面上，且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与轻金属内衬紧密地粘结成一体；及，涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层外表面的保护胶层。本复合气瓶满足合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最小的纤维用量条件下能承受最大的爆破压力，具有持久的良好气密性能和最佳的安全性能。缠绕层中的树脂材料使得内胆与玄武岩纤维复合材料紧密地粘结在一起，解决了现有复合气瓶充放气时金属内胆与复合材料界面开裂的问题，有效提高复合气瓶充放气循环性能。

Description

一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺，复合气瓶用于在高压状态下储存各类压缩气体。

背景技术

玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。类似于玻璃纤维，其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间。玄武岩纤维具有较高的拉伸强度，比碳纤维略低，但高于一般玻璃纤维和芳纶纤维，是理想的增强材料。由于它的造价与E-玻璃纤维相当，比S-玻璃纤维和AR-玻璃纤维低得多，其主要性能指标却优于传统的硅-铝玻璃纤维，甚至接近于价格较贵的硅酸铝纤维。玄武岩纤维与E-玻璃纤维相比具有更加稳定的化学性能。重要的是玄武岩纤维具有较高的抗碱液腐蚀性，这就大大提高玄武岩纤维使用的可靠性和使用效率。玄武岩纤维的吸水性低，其吸水系数小于1%，而玻璃纤维等材料吸水系数为10%～20%。而且吸湿能力不随时间变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性、长寿命和环境协调性。

玄武岩纤维的生产工艺及技术不同于玻璃纤维，其主要特点是：玄武岩纤维是采用单组分的纯天然玄武岩矿石进行生产，熔融过程中基本上不添加辅料(除为择优取向需要生产特种玄武岩纤维外)，生产过程低碳环保，玻璃纤维是人工配料。

玄武岩资源无限、成本低廉，使其纤维压力容器制备具有更好的性能价格比。

另外玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与E玻璃纤维相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。

研究表明，无论是对于非表面处理纤维，还是用有机硅处理剂处理过的纤维，玄武岩纤维与环氧树脂的粘合强度都要高于E玻璃纤维与相同环氧基的粘合强度，因此可以用它制作在高压、化学及热应力环境下长期使用的形状复杂的容器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型轻金属内衬玄武岩全缠绕复合气瓶及其制造工艺，使复合气瓶具有尽可能轻的重量，并能够满足代表国际先进水平的气瓶标准ISO11439的要求。

本发明提供的一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶包括：一轻金属内衬；复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层，该玄武岩纤维缠绕层形成于所述轻金属内衬外表面上，且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与所述轻金属内衬紧密地粘结成一体；及，保护胶层，涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层外表面。

其中，所述轻金属内衬是由椭圆曲面尾部、筒体部分、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成，该瓶口内设置内螺纹。

位于所述轻金属内衬的筒体部分上的玄武岩纤维缠绕层部分是由环向缠绕层和螺旋缠绕层按网格理论计算所得厚度交替缠绕而成，位于所述椭圆曲面尾端上的玄武岩纤维缠绕层部分和位于所述椭圆曲面颈部上的玄武岩纤维缠绕层部分均为螺旋缠绕纤维结构。

所述轻金属内衬可以选择铝合金、镁合金或钛合金内衬等。

所述保护胶层为紫外线固化胶层。紫外线固化胶采用双酚 A 环氧二丙烯酸酯，脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯，芳香族聚醚型聚氯酯二丙烯酸酯，脂肪族聚醚型聚氨酯二丙烯酸酯，丙烯酸酯（TPGDA）以及三甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）等有机物中的一种或多种。

在所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中，玄武岩纤维的体积含量V_f为0.63±0.04。

所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中的玄武岩纤维为用有机硅处理剂处理过的玄武岩纤维。

所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料包括以下组分：环氧树脂100重量份，固化剂60-90重量份，促进剂0.2-2重量份以及增韧剂10-30重量份。所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，如E55，E51，E44，E42。所述固化剂为脂肪族酸酐，如四氢苯二甲酸酐，甲基四氢苯二甲酸酐，六氢苯二甲酸酐，甲基六氢苯二甲酸酐。所述促进剂为叔胺类促进剂， 如2，4，6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30），N，N-二甲基苄胺（BDMA），三乙醇胺和二甲基苯胺。所述增韧剂为脂肪族聚酐，如聚癸二酸酐(PSPA)、聚己二酸酐(PAPA)和聚壬二酸酐(PADA)。

上述轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶的制造工艺，包括以下步骤：

S1.以轻金属内衬作为芯模，将玄武岩纤维束合股，直接经环氧树脂胶液浸胶，由纤维缠绕机按网格理论设计的层数、铺层次序将浸胶后的玄武岩纤维全缠绕在该轻金属内衬外表面上形成坯体；

其中，在该轻金属内衬的筒体部分上采用环向和螺旋交替缠绕方式，在该轻金属内衬的其余部分上采用螺旋缠绕方式；

S2.将该坯体放入固化炉固化成型，水压测试残余变形率，在30-60MPa压力下对成型后的复合气瓶进行“自紧”处理；

S3.在外层刷涂紫外线固化胶，流平，用紫外线光照射5-150分钟。

在玄武岩纤维缠绕过程中控制环氧树脂胶液含量，使纤维层中纤维体积含量V_f为0.63±0.04；单股纤维的平均张力T=10-15 (N/股) 。

玄武岩纤维选择用有机硅处理剂处理过的玄武岩纤维，也可选择非表面处理玄武岩纤维。

本发明采用玄武岩纤维全缠绕轻金属内衬制造复合气瓶，以可靠的网格理论确定纤维增强层的所有环向缠绕结构的厚度及螺旋缠绕结构的厚度，通过芯模转角、缠绕角和极孔直径调整并最终确定缠绕的线型。其制造的复合气瓶具有尽可能轻的重量，满足合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最小的纤维用量条件下能承受最大的爆破压力，能够满足代表国际先进水平的气瓶标准ISO11439的要求。

本发明环氧树脂胶料具有较好的柔韧性，对玄武岩纤维及轻金属合金内胆均有良好的粘结性能，固化后具有优异的绝缘、柔韧性能，可以使复合气瓶内胆与玄武岩纤维复合材料紧密地粘结在一起，解决了现有复合气瓶充放气时金属内胆与复合材料界面开裂的问题，有效地提高了复合气瓶充放气循环性能。

最外层为紫外线固化涂胶层，固化后是高强度弹性体，并具有极好耐候性，可以进一步提高气瓶的表面美观度、表面硬度及耐磨性和抗冲击性，能在日常使用中纤维缠绕层起到极好的保护作用。

附图说明

图1为本发明轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例附图对本发明进一步的详细叙述。

图1所示复合气瓶实施例包括：轻金属内衬1、复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层2以及涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层2外表面的紫外线固化胶层3。    

该玄武岩纤维缠绕层2形成于所述轻金属内衬1外表面上，且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与所述轻金属内衬1紧密地粘结成一体。在所述玄武岩纤维缠绕层2中，玄武岩纤维的体积含量Vf为0.64。

轻金属内衬1是由椭圆曲面尾部、筒体部分（即图1中两条竖点划线之间部分）、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成，该瓶口内设置内螺纹（图中未标示出）。位于轻金属内衬1的筒体部分上的玄武岩纤维缠绕层部分是由环向缠绕层和螺旋缠绕层按网格理论计算所得厚度交替缠绕而成，位于所述椭圆曲面尾端上的玄武岩纤维缠绕层部分和位于所述椭圆曲面颈部上的玄武岩纤维缠绕层部分均为螺旋缠绕纤维结构。

图1所示复合气瓶的的制造步骤如下：

1. 用6061铝合金通过传统拉深、旋压和收口工艺形成铝内衬1，容积为6.8L，铝内衬1由椭圆曲面尾部、筒体部分、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成。

2. 将配置好的环氧树脂胶液注入胶槽，以铝内衬1作为芯模，将用有机硅处理剂处理过的玄武岩纤维束合股，直接经胶槽内的环氧树脂胶液浸胶，由纤维缠绕机按网格理论设计的层数、铺层次序将浸胶后的玄武岩纤维全缠绕在该铝内衬1外表面上形成坯体。

在该铝内衬1的筒体部分上采用环向和螺旋交替缠绕方式，椭圆曲面尾部和椭圆曲面颈部采用螺旋缠绕，缠绕时施加一定的设计张力T，环向缠绕的层数为8层，螺旋缠绕的层数为6层。在铝内衬1外表面螺旋缠绕一个循环，在横截面内为两层交叉纤维层，所以玄武岩纤维缠绕层的铺层次序为首先缠绕2层环向，根据环向缠绕和螺旋缠绕交叉的原则，再依次缠绕一个循环螺旋向、2层环向、一个循环螺旋向、2层环向、一个循环螺旋向、2层环向。环向缠绕角为89.5o，螺旋缠绕角为11o。

玄武岩纤维缠绕层的缠绕工艺参数：

合股纱股数为：N=3（股/条），螺旋缠满一个循环的纱带片总条数为：M=70条/ 循环层，螺旋等厚缠绕的纱片宽度为：b₁=6.9mm/条，环向增厚缠绕时纱片带宽为b₂=7mm/条。

缠绕时单股纤维的平均张力T=10-15(N/股)，并在缠绕过程中通过丝嘴适当地控制环氧树脂胶液含量，确保纤维体积含量为V_f=0.63±0.04。

其中，环氧树脂胶液采用双酚A型环氧树脂E51 100重量份、甲基四氢苯二甲酸酐 70重量份、聚壬二酸酐 20重量份 以及DMP 30 促进剂 0.5重量份配置，充分搅拌，混合均匀制成。

3. 将形成的坯体放入固化炉进行固化成型，固化条件：120℃/1h＋150℃/4h。

4. 对固化成型后的坯体进行水压试验测试残余变形率，然后在压力P=55MPa下对复合气瓶进行“自紧”处理。

5. 在外层刷涂紫外线固化胶，紫外线固化胶由80重量份双酚 A 环氧二丙烯酸酯和20重量份TPGDA配置而成，流平（65℃×6min）后紫外线光照射5分钟，获得铝内胆玄武岩纤维全缠绕复合气瓶。

上述铝内胆玄武岩纤维全缠绕复合气瓶具有尽可能轻的重量，并能满足代表国际先进水平的ISO11439标准的要求。

其主要技术指标为水压实验压力作用下体积残余变形率V_δ≤1.5%；

安全系数3.6；

疲劳循环次数N≥10000（次）。

以上实施例及实施描述目的在于详细说明本发明，应当不能用来限制本发明，大凡依所列申请专利范围及说明书内容所做的各种改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求之范围中。

Claims (2)

1.一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶，其特征在于包括：

一轻金属内衬；

复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层，该玄武岩纤维缠绕层形成于所述轻金属内衬外表面上，且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与所述轻金属内衬紧密地粘结成一体；以及

保护胶层，该保护胶层为紫外线固化胶层，涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层外表面；该紫外线固化胶是由80重量份双酚A环氧二丙烯酸酯和20重量份TPGDA配置成的；

其中，所述轻金属内衬是由椭圆曲面尾部、筒体部分、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成；位于所述筒体部分上的玄武岩纤维缠绕层部分是由环向缠绕层和螺旋缠绕层按网格理论计算所得厚度交替缠绕而成，位于所述椭圆曲面尾端上的玄武岩纤维缠绕层部分和位于所述椭圆曲面颈部上的玄武岩纤维缠绕层部分均为螺旋缠绕纤维结构，玄武岩纤维的环向缠绕角为89.5o，螺旋缠绕角为11o；

所述玄武岩纤维缠绕层中的玄武岩纤维为用有机硅处理剂处理过的玄武岩纤维。

2.如权利要求1所述的复合气瓶，其特征在于：所述轻金属内衬是铝合金、镁合金或钛合金内衬。

3. 如权利要求1所述的复合气瓶，其特征在于：所述玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料包括环氧树脂100重量份，固化剂60-70重量份，促进剂0.2-0.5重量份以及增韧剂10-30重量份；

其中，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为脂肪族酸酐，所述促进剂为叔胺类促进剂，所述增韧剂为脂肪族聚酐；

该环氧树脂材料的固化条件为120℃ /1h 加 150℃ /4h。

4. 如权利要求3所述的复合气瓶，其特征在于：所述环氧树脂材料包括100重量份双酚A型环氧树脂E51、甲基四氢苯二甲酸酐70重量份、聚壬二酸酐20重量份以及DMP 30促进剂0.5重量份。

5. 如权利要求1所述的复合气瓶，其特征在于：在所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中，玄武岩纤维的体积含量Vf 为0.63±0.04。

6. 一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶制造工艺，包括以下步骤：

S1. 以轻金属内衬作为芯模，将玄武岩纤维束合股，直接经环氧树脂胶液浸胶，由纤维缠绕机按网格理论设计的层数、铺层次序将浸胶后的玄武岩纤维全缠绕在该轻金属内衬外表面上形成坯体；

其中，在该轻金属内衬的筒体部分上采用环向和螺旋交替缠绕方式，在该轻金属内衬椭圆曲面尾部、椭圆曲面颈部上采用螺旋缠绕方式，环向缠绕角为89.5o，螺旋缠绕角为11o；

该环氧树脂胶液包括环氧树脂100重量份，固化剂60-70重量份，促进剂0.2-0.5重量份以及增韧剂10-30重量份；所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为脂肪族酸酐，所述促进剂为叔胺类促进剂，所述增韧剂为脂肪族聚酐；

S2. 将该坯体放入固化炉固化成型，固化条件为120℃ /1h 加 150℃ /4h；对固化成型后的坯体水压测试残余变形率，然后在30-60MPa压力下对成型后的复合气瓶进行“自紧”处理；

S3. 在外层刷涂紫外线固化胶，流平，用紫外线光照射5-150分钟；该紫外线固化胶由80重量份双酚A环氧二丙烯酸酯和20重量份TPGDA配置成。

7. 如权利要求6所述的工艺，其特征在于：缠绕时单股纤维的平均张力T=10-15(N/股) ；在玄武岩纤维缠绕过程中控制环氧树脂胶液含量，使纤维层中纤维体积含量Vf 为0.63±0.04。

8. 如权利要求6所述的工艺，其特征在于：步骤S1中，所述环氧树脂胶液包括100重量份双酚A型环氧树脂E51、甲基四氢苯二甲酸酐70重量份、聚壬二酸酐20重量份以及DMP 30促进剂0.5重量份。