本發(fā)明涉及壓力容器制造領(lǐng)域。更具體地涉及一種纖維全纏繞塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的制造方法。

背景技術(shù)：

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，與之配套的能源裝配儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)近年來(lái)也得到長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于盛裝能源介質(zhì)特別是氣體介質(zhì)的壓力氣瓶的需求也大幅增加，但目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用于高壓氣體儲(chǔ)運(yùn)的氣瓶絕大多數(shù)為全金屬或者具有金屬內(nèi)膽的纖維纏繞增強(qiáng)氣瓶，容重比很低，且金屬內(nèi)膽存在內(nèi)壁腐蝕等問(wèn)題，另外隨著國(guó)家對(duì)氣瓶安全性能要求的日趨嚴(yán)格，在容積不變的情況下，氣瓶重量要求越來(lái)越輕，塑料內(nèi)膽纏繞氣瓶由于綜合了高性能纖維及特種塑料的特點(diǎn)，在保證氣瓶安全性能的前提下，其重量相比較金屬氣瓶重量減少60％以上，所以塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶具有很高的容重比而且氣瓶具有很好的耐腐蝕性能以及在氣瓶爆破時(shí)具有較長(zhǎng)的逃生時(shí)間。

由于強(qiáng)度與剛度的需要，氣瓶瓶口需要采用金屬材料設(shè)計(jì)，需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)金屬部分的結(jié)構(gòu)、形狀以及采用合理的工藝將金屬與非金屬內(nèi)膽進(jìn)行很好的結(jié)合。目前金屬瓶口與塑料內(nèi)膽結(jié)合的問(wèn)題雖然有所改善，然而金屬部分的密封問(wèn)題仍然函待解決。

目前塑料內(nèi)膽的材料大部分是采用高密度聚乙烯(HDPE)，而HDPE的粘結(jié)性能很差導(dǎo)致纖維復(fù)合層與內(nèi)膽層分層，嚴(yán)重影響氣瓶的使用壽命及安全。所以為了提高氣瓶的安全性能，在內(nèi)膽成型后需要對(duì)內(nèi)膽外表面進(jìn)行處理以此來(lái)提高內(nèi)膽與纖維復(fù)合層之間的粘結(jié)強(qiáng)度；

因此，本領(lǐng)域迫切需要提供一種能夠有效解決內(nèi)膽與氣瓶口的密封性以及內(nèi)膽與纖維復(fù)合層粘結(jié)性問(wèn)題的新型復(fù)合氣瓶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種新的全纏繞塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的制造方法。

本發(fā)明提供了一種纖維全纏繞塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的制造方法，所述方法的步驟包括塑料內(nèi)膽成型、塑料內(nèi)膽外表面處理、纖維纏繞和固化，所述內(nèi)膽是將開(kāi)口處的封頭與堵頭處的封頭分別與筒身直線段焊接形成；所述開(kāi)口處的封頭是將帶有通孔螺紋的金屬接頭與塑料通過(guò)注塑形成；所述堵頭處封頭是將帶有非通孔螺紋的金屬接頭與塑料通過(guò)注塑形成。

在另一優(yōu)選例中，所述塑料內(nèi)膽外表面處理是對(duì)內(nèi)膽的筒身直線段和兩封頭進(jìn)行火焰處理或等離子電暈處理。

在另一優(yōu)選例中，所述封頭的注塑形成是將鋁合金接頭加熱到70-100℃(更優(yōu)選75-85℃)后放置在封頭的模具中進(jìn)行注塑。

在另一優(yōu)選例中，在封頭的所述螺紋處放置硅膠墊、鎖緊平墊和鎖緊螺母；所述放置順序?yàn)橄劝惭b硅膠墊，然后是鎖緊平墊，最后用鎖緊螺母。

在另一優(yōu)選例中，所述焊接是將筒身直線段管材固定在焊接機(jī)中央，再將兩個(gè)封頭分別固定在焊接機(jī)的兩端，使焊接機(jī)將兩封頭與管材進(jìn)行焊接并在2.0-3.0MPa(更優(yōu)選2.0-2.5MPa)下保壓3-10min(更優(yōu)選5-6min)。

在另一優(yōu)選例中，所述金屬接頭材料為鋁合金，所述塑料材料為高密度聚乙烯。

在另一優(yōu)選例中，火焰處理時(shí)外焰溫度在1000℃±50℃，火焰處理時(shí)間1-1.5min,火焰距離內(nèi)膽外表面的距離為使火焰的外焰進(jìn)行處理。

在另一優(yōu)選例中，火焰處理后的內(nèi)膽表面張力在45達(dá)因(更優(yōu)選50達(dá)因)以上；火焰處理后的內(nèi)膽放置時(shí)間不超過(guò)4小時(shí)(更優(yōu)選不超過(guò)3小時(shí))。

在另一優(yōu)選例中，纏繞用纖維為碳纖維或碳纖維和玻璃纖維；纏繞用膠液包括環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和消泡劑。

據(jù)此，本發(fā)明提供了一種能夠有效解決內(nèi)膽與氣瓶口的密封性以及內(nèi)膽與纖維復(fù)合層粘結(jié)性問(wèn)題的新型復(fù)合氣瓶。

附圖說(shuō)明

圖1為成品氣瓶剖面圖；其中，

1為塑料內(nèi)膽，2為碳纖維纏繞層，3為玻璃纖維纏繞層，4為開(kāi)口處的金屬接頭，5為堵頭處的金屬接頭，6為封頭與筒身直線段的焊接處，7為開(kāi)口處的封頭，8為堵頭處的封頭，9為筒身直線段。

圖2為開(kāi)口處封頭的剖面圖；其中4為金屬接頭。

圖3為堵頭處封頭的剖面圖；其中5為金屬接頭。

圖4為塑料內(nèi)膽的剖面圖；其中，

41表示塑料內(nèi)膽筒身直線段，42表示帶有開(kāi)口金屬件的封頭，43帶有堵頭金屬件的封頭。

圖5為金屬接頭的放大圖；其中，

51表示金屬件中的燕尾槽，52表示金屬件中帶有的外螺紋部分，53表示金屬鎖緊螺母，54表示金屬鎖緊墊片，55表示硅膠墊片。

具體實(shí)施方式

發(fā)明人通過(guò)焊接將氣瓶塑料內(nèi)膽的封頭與筒身直線段連接，封頭的金屬接頭不僅通過(guò)燕尾槽結(jié)構(gòu)增強(qiáng)密封性的同時(shí)增強(qiáng)其與塑料的連接強(qiáng)度，同時(shí)還通過(guò)在螺紋處加裝硅膠墊、鎖緊平墊和鎖緊螺母進(jìn)一步加強(qiáng)密封作用及連接強(qiáng)度。

本發(fā)明還通過(guò)控制火焰處理的距離、時(shí)間等提高塑料內(nèi)膽的表面張力，增強(qiáng)塑料內(nèi)膽與纖維復(fù)合層的連接強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，完成了本發(fā)明。

本發(fā)明提供的纖維全纏繞塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的制造方法除了包括現(xiàn)有技術(shù)中的一些常規(guī)步驟，例如但不限于，塑料內(nèi)膽成型、纖維纏繞、產(chǎn)品固化、水壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)等；進(jìn)一步地，在塑料內(nèi)膽成型中增加了使密封性更佳的改進(jìn)措施，在另一種優(yōu)選方式中還包括塑料內(nèi)膽外表面的處理。

具體地，參見(jiàn)附圖1，本發(fā)明提供的塑料內(nèi)膽1采用三段式結(jié)構(gòu)，即筒身直線段9加分別處于開(kāi)口處和堵頭處的封頭7和封頭8，其中筒身直線段9采用擠出工藝成型一定直徑、壁厚的管材。

封頭7或8分別與擠出的管材筒身直線段9通過(guò)平板焊接成密封的內(nèi)膽1，其中6為焊接處，焊接方法：筒身直線段管材9放置在焊接機(jī)中央然后固定，再將兩個(gè)封頭7、8分別放置在焊接機(jī)的兩端固定，啟動(dòng)焊接機(jī)將兩封頭與管材進(jìn)行焊接并在2.0-3.0MPa(優(yōu)選2.0-2.5MPa)下保壓3-10min(優(yōu)選5-6min)，確保焊接口充分融合以及焊接強(qiáng)度。

封閉的內(nèi)膽1由封頭7、封頭8以及筒身直線段9通過(guò)焊接形成；封頭7是由帶有PZ27.8通孔螺紋的金屬接頭4與塑料通過(guò)注塑形成；封頭8是由帶有螺紋的非通孔螺紋的金屬接頭5與塑料通過(guò)注塑形成；所述金屬為鋁合金。

封頭7或8是由帶有螺紋的金屬接頭4或5與非金屬部分(例如但不限于，高密度聚乙烯(HDPE))組成，其成型工藝首先將鋁合金接頭4或5預(yù)熱到70-100℃(優(yōu)選75-85℃)，然后放置在封頭的模具中，通過(guò)注塑工藝將金屬接頭鑲嵌在塑料材料中形成一個(gè)近似橢球型的封頭7或8；在一種優(yōu)選方式中，注塑時(shí)所有的燕尾槽處都被注滿。

參見(jiàn)附圖5，金屬接頭一方面通過(guò)采用燕尾槽(51)的結(jié)構(gòu)以及燕尾槽的深度為2-4mm(優(yōu)選2.5-3.5mm),燕尾槽寬度為4-8mm(優(yōu)選5-6mm)，增加了金屬與塑料的緊密結(jié)合度，增強(qiáng)密封性能的同時(shí)也增強(qiáng)了金屬與塑料的連接強(qiáng)度，另一方面，金屬接頭內(nèi)部延伸段開(kāi)有外螺紋(52)，通過(guò)加裝硅膠墊(55)、鎖緊平墊(54)和鎖緊螺母(53)，安裝順序是在外螺紋(52)上先安裝硅膠墊然后是鎖緊平墊最后用鎖緊螺母。螺紋連接增加金屬與非金屬的連接強(qiáng)度，同時(shí)在螺紋處增加的硅膠墊、鎖緊平墊以及鎖緊螺母也起到了密封作用。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選方式中，金屬接頭的燕尾槽尺寸為燕尾槽的深度為2-4mm(優(yōu)選2.5-3.5mm),燕尾槽寬度為4-8mm(優(yōu)選5-6mm)，燕尾槽個(gè)數(shù)可以為1、2或3個(gè)，可進(jìn)一步提高連接強(qiáng)度和密封性能。

更佳地，本發(fā)明在金屬燕尾槽處還可以增加耐高溫、耐疲勞性能的O型圈，進(jìn)一步提高封頭金屬部分與非金屬部分連接處的密封性能。

參見(jiàn)附圖1，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，內(nèi)膽1還外加碳纖維纏繞層2以及玻璃纖維纏繞3，但在纏繞前將內(nèi)膽1的外表面進(jìn)行火焰處理。目前采用火焰處理的都是一些壁厚偏薄(壁厚小于5mm)和面積較小的產(chǎn)品，而本發(fā)明處理的產(chǎn)品壁厚10mm左右,表面積很大且形狀不規(guī)則。焊接好的塑料內(nèi)膽用有機(jī)溶劑(包括但不限于，丙酮、酒精)清洗后，放置在自制的火焰處理設(shè)備上，對(duì)內(nèi)膽的筒身直線段9和兩封頭7和8進(jìn)行火焰處理，火焰處理采用的是天然氣與空氣的混合氣體(優(yōu)選火焰顏色為白色)，處理時(shí)應(yīng)用火焰的外焰進(jìn)行處理，火焰的溫度控制1000℃左右，經(jīng)過(guò)處理后的內(nèi)膽表面張力達(dá)到45達(dá)因以上，經(jīng)過(guò)火焰處理后的內(nèi)膽應(yīng)盡快纏繞，放置時(shí)間不得超過(guò)4小時(shí)。內(nèi)膽1的材料為HDPE時(shí)，一般與樹(shù)脂膠液的粘結(jié)性能很差，導(dǎo)致塑料內(nèi)膽與纖維復(fù)合層分層，本發(fā)明提供的火焰處理方式可通過(guò)高溫使得塑料材料表面發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生極性基團(tuán)，提高塑料表面的表面張力，從而改善塑料的膠粘性能。

塑料內(nèi)膽的外表面也可以采用等離子電暈處理，進(jìn)一步提高效率以及實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。

內(nèi)膽1的外表面進(jìn)行了火焰處理后，可以使用本領(lǐng)域常用的方式對(duì)塑料內(nèi)膽進(jìn)行纖維纏繞，例如但不限于，環(huán)向纏繞與螺旋纏繞相互結(jié)合往復(fù)循環(huán)的纏繞方式，也可以采用任何能夠?qū)⒗w維緊密纏繞在塑料內(nèi)膽上的其他纏繞方式?？梢灾徊捎锰祭w維纏繞，外層不采用玻纖纏繞，另一種是采用碳纖維纏繞作為增強(qiáng)層，然后在碳纖維層外纏繞玻璃纖維層作為碳纖維的保護(hù)層。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，纏繞所用的原材料包括碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、和消泡劑；樹(shù)脂膠液水域溫度控制在32-45℃，膠液溫度控制在30-40℃，環(huán)境溫度控制在25-30℃；纖維經(jīng)過(guò)沾有膠液的膠輥，即纖維的進(jìn)膠方式采用上進(jìn)膠，控制單根紗的張力為10-15N，然后按照預(yù)先編好的纏繞程序使用四維數(shù)控纏繞機(jī)將纖維緊密纏繞在金屬內(nèi)膽上，所用的纖維纏繞方式可以是環(huán)向纏繞與螺旋纏繞相互結(jié)合往復(fù)循環(huán)的纏繞方式，也可以采用任何能夠?qū)⒗w維緊密纏繞在塑料內(nèi)膽上的其他纏繞方式；單個(gè)氣瓶的纖維含膠量(膠液的重量/膠液+纖維的總重量)控制在25％-30％；氣瓶纏繞完成后，在氣瓶表面刷涂1-3遍樹(shù)脂膠液，膠液要保證刷涂均勻。

纏繞碳纖維后的氣瓶應(yīng)盡快進(jìn)行玻纖纏繞，碳纖維纏繞后放置時(shí)間不得超過(guò)2小時(shí)，玻纖纏繞完成后應(yīng)盡快進(jìn)入固化爐里固化，固化溫度為50-80℃，優(yōu)選70±5℃，固化時(shí)間為4-8小時(shí)，優(yōu)選為6-8小時(shí)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，經(jīng)過(guò)固化的產(chǎn)品可采用本領(lǐng)域常規(guī)的外測(cè)法進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

本發(fā)明提到的上述特征，或?qū)嵤├岬降奶卣骺梢匀我饨M合。本案說(shuō)明書(shū)所揭示的所有特征可與任何組合物形式并用，說(shuō)明書(shū)中所揭示的各個(gè)特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特別說(shuō)明，所揭示的特征僅為均等或相似特征的一般性例子。

本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明提供一種新的塑料內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶的制備方法。

2、本發(fā)明提供了一種金屬瓶口與塑料內(nèi)膽緊密結(jié)合的方法，解決了塑料內(nèi)膽成型及密封性等問(wèn)題。

3、本發(fā)明提供的方法制備的復(fù)合氣瓶一方面解決了氣瓶安全性能的問(wèn)題，另一方面解決了氣瓶容重比低的問(wèn)題。

4、本發(fā)明使用的塑料內(nèi)膽外表面的處理工藝，解決了塑料內(nèi)膽與纖維復(fù)合層粘結(jié)差的問(wèn)題。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說(shuō)明，否則所有的百分?jǐn)?shù)、比率、比例、或份數(shù)按重量計(jì)。本發(fā)明中的重量體積百分比中的單位是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，例如是指在100毫升的溶液中溶質(zhì)的重量。除非另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語(yǔ)與本領(lǐng)域熟練人員所熟悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。

實(shí)施例

參見(jiàn)附圖1-5

內(nèi)膽成型：

塑料內(nèi)膽1的材料采用北歐化工生產(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)；

內(nèi)膽結(jié)構(gòu)采用三段式結(jié)構(gòu)，即筒身直線段加兩封頭，即附圖中7、8兩個(gè)封頭及筒身直線段9，其中筒身直線段9采用擠出工藝成型直徑為428mm、壁厚為10mm的管材；

封頭7、8是由帶有螺紋的鋁合金金屬部分4、5與非金屬部分組成，其成型工藝首先將鋁合金接頭4、5預(yù)先加熱到70-100℃，然后放置在封頭的模具中，然后通過(guò)注塑工藝將鋁合金接頭鑲嵌在塑料材料中形成一個(gè)近似橢球型的封頭7、8，注塑時(shí)要保證所有的燕尾槽處都被注滿；

金屬接頭的燕尾槽51尺寸為燕尾槽的深度為3mm,燕尾槽寬度為5mm，燕尾槽個(gè)數(shù)可以為3個(gè)；鋁合金接頭內(nèi)部延伸段開(kāi)有外螺紋52，在外螺紋的位置上先安裝硅膠墊55然后是鎖緊平墊54最后用鎖緊螺母53；

筒身直線段管材9放置在焊接機(jī)中央然后固定，再將兩個(gè)封頭7、8分別放置在焊接機(jī)的兩端固定，啟動(dòng)焊接機(jī)將兩封頭與管材進(jìn)行焊接并在2.5MPa下保壓5min，確保焊接口充分融合以及焊接強(qiáng)度，得到密封的內(nèi)膽1。

內(nèi)膽外表面處理：

1)焊接好的塑料內(nèi)膽再用有機(jī)溶劑清洗后，放置在火焰處理設(shè)備上，對(duì)內(nèi)膽的筒身直線段和兩封頭進(jìn)行火焰處理；

2)火焰處理采用的是天然氣與空氣的混合氣，處理時(shí)要保證使用火焰的外焰進(jìn)行處理，火焰的溫度控制1000℃左右，火焰處理時(shí)間控制在1分鐘左右，另外要保證處理后的內(nèi)膽表面張力達(dá)到47達(dá)因以上；

3)經(jīng)過(guò)火焰處理后的內(nèi)膽應(yīng)盡快纏繞，放置時(shí)間不超過(guò)3小時(shí)。

纖維纏繞：

使用符合下述樹(shù)脂體系要求的進(jìn)行纏繞：

1)樹(shù)脂膠液在25-28℃范圍內(nèi)的可操作時(shí)間為3-4小時(shí)；

2)膠液的固化溫度不得超過(guò)80℃，最佳的固化溫度為70℃，固化完成時(shí)間為6-8小時(shí)；

3)樹(shù)脂體系固化后的剪切強(qiáng)度要在13.8MPa以上。

纏繞所用的原材料主要有：碳纖維，玻璃纖維，環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑，消泡劑，樹(shù)脂膠液的比例為環(huán)氧樹(shù)脂：固化劑：消泡劑＝100:40:0.5；

樹(shù)脂膠液水域溫度控制在32-45℃，膠液溫度控制在30-40℃，環(huán)境溫度控制在25-30℃；

纖維經(jīng)過(guò)沾有膠液的膠輥，即纖維的進(jìn)膠方式采用上進(jìn)膠，控制單根紗的張力為10-15N，然后按照預(yù)先編好的纏繞程序使用四維數(shù)控纏繞機(jī)將纖維緊密纏繞在金屬內(nèi)膽上，所用的纖維纏繞方式為8H/5C/5H/4C/3H/4C/2H其中H表示環(huán)向纏繞，C表示螺旋向纏繞；

單個(gè)氣瓶的纖維含膠量(膠液的重量/膠液+纖維的總重量)控制在25％-30％；氣瓶纏繞完成后，在氣瓶表面刷涂?jī)杀闃?shù)脂膠液，膠液要保證刷涂均勻。產(chǎn)品固化：

進(jìn)行了纖維纏繞后在70℃固化8小時(shí)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容是廣義地定義于申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍中，任何他人完成的技術(shù)實(shí)體或方法，若是與申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍所定義的完全相同，也或是一種等效的變更，均將被視為涵蓋于該權(quán)利要求范圍之中。