CN111188991A - 塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法包括瓶嘴装配：对内胆的外表面及需要安装在内胆上的瓶嘴和尾顶使用99％以上浓度的无水乙醇清洗，去除表面的污渍，将密封圈与密封垫与瓶嘴装配形成待装配体，待装配体安装在内胆的瓶口上，尾顶安装在内胆的尾部上且与瓶口位置相对，待装配体、尾顶与内胆进行冷装配，将保证内胆与待装配体、尾顶在其工作温度下气瓶不会再次收缩。解决内胆与纤维缠绕层易脱离的问题，解决密封性能失效问题，密封效果越好，内胆与纤维缠绕层粘结紧密，不易出现分层，提高了气瓶使用的稳定性。

Description

塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法
技术领域
本发明特别涉及一种塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法。
背景技术
随着经济发展与现代技术的推广应用，新能源产业得到极大发展，优化了以化学燃料为主的能源结构，新旧能源转换已是大势所趋，人心所向，发展新能源汽车就需要有相配套的装备：高压气瓶，即车用CNG/LNG气瓶，其公称工作压力为20MPa。在制作高压气瓶时，本领域内普遍采用的技术方案是采用塑料内胆加热后在内部多次充入气体，使气瓶内胆在保持压力的状态下进行瓶体缠绕，按照传统的方法需要进行多次充装，不仅耗费人力而且浪费时间，降低了生产效率。气瓶内胆通常采用塑料内胆，塑料内胆气瓶的散热性能差，导致温差较大的使用环境下或充放气过程中，塑料内胆的尺寸变化较为明显，有可能会导致塑料内胆与增强层的脱离，影响疲劳寿命，还可能会使内胆与金属瓶嘴之间形成间隙，使气瓶的密封性能失效。本新型设计仅针对塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶，这种气瓶重量更轻、成本更低、安全性更好，产品寿命长，有广阔的发展前景。
基于上述问题，研发一种塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种解决内胆与纤维缠绕层易脱离的问题，解决密封性能失效问题，密封效果越好，内胆与纤维缠绕层粘结紧密，不易出现分层，提高了气瓶使用的稳定性的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法。
为解决上述技术问题，本方法包括以下步骤：
步骤一、瓶嘴装配：对内胆的外表面及需要安装在内胆上的瓶嘴和尾顶使用99％以上浓度的无水乙醇清洗，去除表面的污渍，将密封圈与密封垫与瓶嘴装配形成待装配体，待装配体安装在内胆的瓶口上，尾顶安装在内胆的尾部上且与瓶口位置相对，待装配体、尾顶与内胆进行冷装配，将保证内胆与待装配体、尾顶在其工作温度下气瓶不会再次收缩；
步骤二、缠绕固定：使用缠绕工装将带瓶嘴的内胆固定在四棱数控缠绕机上；
步骤三、表面处理：对内胆外表面进行热处理8-10分钟，内胆表面温度在65-75℃，用红外线测温仪监控测量数据，去除内胆外表面的钝化层增加内胆外表面的附着能力；
步骤四、配胶缠绕：配制粘度指数为25℃粘度6700MP·S的固化树脂，将固化树脂放入烘箱中加热保温一小时，加热温度40-50℃，使固化树脂达到凝胶时间大于8小时状态，将固化树脂与脂环族多胺环氧树脂固化剂按照重量组份5:4比例混合搅拌均匀，搅拌时间8-15分钟，将混合固化剂后的固化树脂倒入胶槽加热，胶槽加热温度48-52℃，将碳素纤维浸胶后进行纤维缠绕层的缠绕，缠绕范围为气瓶的尾顶与瓶嘴之间的外壁，缠绕方式为环形螺旋缠绕且缠绕12-18层，缠绕时碳素纤维张力控制为22-25N到10-15N由内向外逐层递减，纤维缠绕层的总厚度为1.5mm-7.5mm，在由内向外径向缠绕时，对内胆内部进行密封充气逐渐打压；
步骤五、保护层缠绕：在纤维缠绕层外缠绕保护层，保护层的缠绕范围为气瓶的尾顶与瓶嘴之间的圆柱体的外侧壁。
步骤六、固化：将带有纤维缠绕层的内胆在10-20分钟内转移到固化炉中进行两次升温保温直至固化；
步骤七、装阀及整体气密：施加200N·m-250N·m的力矩在瓶嘴安装阀门进行气密试验。
步骤八、包装入库：对气密合格的气瓶进行包装入库。
作为优选的技术方案，步骤一中，待装配体与内胆在-40℃环境内进行冷装配，内胆与待装配体的工作温度为-40℃～65℃，使密封圈紧密地被压缩在瓶嘴与内胆之间，形成良好的密封效果。
作为优选的技术方案，步骤四中，按照重量组份配制固化树脂，固化树脂包括80份CYD127环氧树脂、75份甲基四氢苯酐、3份N，N-二甲基苄胺。
作为优选的技术方案，步骤四中，环形螺旋缠绕由内向外具体为第一层环向89°纵向5°、第二层环向89°纵向6°、第三层环向89°纵向10°、第四层环向89°纵向13°、第五层环向89°纵向15°、第六层环向89°纵向18°、第七层环向89°纵向22°、第八层环向89°纵向25°、第九层环向89°纵向29°、第十层环向89°纵向33°、第十一层环向89°纵向40°、第十二层环向89°纵向45°，第十三层环向89°纵向50°、第十四层环向89°纵向53°、第十五层环向89°纵向55°、第十六层环向89°纵向57°、第十七层环向89°纵向59°、第十八层环向89°。
作为优选的技术方案，步骤四中，为防止塑料内胆在缠绕过程中变形，在缠绕纤维缠绕层时内胆内部进行密封充气逐渐打压，充气打压的初始压力为1bar，由内向外每两层增加0.1-0.16bar。
作为优选的技术方案，步骤五中，使用步骤四中的混合固化剂后的固化树脂将玻璃纤维以环形螺旋缠绕，缠绕2-5层，缠绕时玻璃纤维张力控制为80N到100N由内向外逐层递减，保护层的总厚度为1mm-2.5mm。
作为优选的技术方案，步骤六中，第一次升温固化环境温度为60-80℃，保温90-150分钟，第二次升温固化环境温度为80-100℃，保温300-400分钟。
塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶包括内胆，内胆大致呈圆筒型且两端大致为圆弧形，内胆两端相对设置有尾柱和瓶口，尾柱由内胆向外延伸构成，瓶口上过盈装配有瓶嘴，瓶嘴内安装有密封圈与密封垫，密封圈位于瓶嘴与内胆上瓶口的侧表面之间，密封垫位于瓶嘴与内胆上瓶口的端面之间，尾柱上过盈装配有尾顶，瓶嘴和尾顶与内胆接触的一端均向外延伸出外沿部，外沿部与内胆两端的圆弧面相适应且紧密贴合，所述气瓶的尾顶与瓶嘴之间的外壁上包覆有环形螺旋缠绕的纤维缠绕层，纤维缠绕层将所述瓶嘴和尾顶的外沿部包覆使瓶嘴、尾顶、内胆连接为一体，纤维缠绕层包括碳素纤维和固化树脂，在纤维缠绕层外缠绕保护层，保护层包括玻璃纤维和固化树脂。
采用上述技术方案后，步骤三：表面处理：对内胆外表面进行热处理8-10分钟，内胆表面温度在65-75℃，用红外线测温仪监控测量数据，去除内胆外表面的钝化层增加内胆外表面的附着能力，使内胆与纤维缠绕层粘结紧密，不易出现分层，提高了气瓶使用的稳定性，瓶嘴内安装有密封圈与密封垫，密封圈位于瓶嘴与内胆上瓶口的侧表面之间，密封垫位于瓶嘴与内胆上瓶口的端面之间，解决密封性能失效问题，在内胆受内压时，压力越大，迫使内胆与瓶嘴之间的密封圈、密封垫靠得越紧密，密封效果越好。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，其中：
图1是本发明实施例中塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶的结构示意图；
图2是本发明实施例中瓶口与瓶嘴连接处的放大示意图；
图中，1、尾顶，2、内胆，3、纤维缠绕层，4、密封圈，5、瓶嘴，6、密封垫,7、保护层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
参照附图1至附图2，该塑料内胆2碳纤维全缠绕气瓶包括内胆2，内胆2大致呈圆筒型且两端大致为圆弧形，内胆2左端向外延伸出尾柱，内胆2的右端开设有向外侧延伸的瓶口，尾柱和瓶口的轴线位于同一直线上，尾柱与内胆2为一体成型，瓶口上过盈装配有瓶嘴5，瓶嘴5的材质为金属材质，本实施例中选用铜制瓶嘴，瓶嘴5内安装有密封圈4与密封垫6，密封圈4位于瓶嘴5与瓶口的侧表面之间，密封垫6位于瓶嘴5与瓶口的端面之间，尾柱上过盈装配有尾顶1，瓶嘴5与内胆2接触的一端的外沿垂直向外延伸出外沿部，尾顶1与内胆2接触的一端的外沿垂直向外延伸出外沿部，外沿部与内胆2两端的圆弧面相适应且紧密贴合，气瓶的尾顶1与瓶嘴5之间的外壁上包覆有环形螺旋缠绕的纤维缠绕层3，纤维缠绕层3将瓶嘴5和尾顶1的外沿部包覆使瓶嘴5、尾顶1、内胆2连接为一体，纤维缠绕层3包括碳素纤维和固化树脂，在纤维缠绕层3外缠绕保护层7，保护层7包括玻璃纤维和固化树脂。
塑料内胆2碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于，包括：
步骤一、瓶嘴装配：对内胆2的外表面及需要安装在内胆2上的瓶嘴5和尾顶1使用99％以上浓度的无水乙醇清洗，去除表面的污渍，将密封圈4与密封垫6与瓶嘴5装配形成待装配体，待装配体与内胆2在-40℃环境内进行冷装配，内胆2与待装配体的工作温度为-40℃～65℃，使密封圈4紧密地被压缩在瓶嘴5与内胆2之间，形成良好的密封效果，待装配体安装在内胆2的瓶口上，尾顶1安装在内胆2的尾部上且与瓶口位置相对，待装配体、尾顶1与内胆2进行冷装配，将保证内胆2与待装配体、尾顶1在其工作温度下气瓶不会再次收缩，在内胆受内压时，压力越大，迫使内胆与瓶嘴之间的密封圈、密封垫靠得越紧密，密封效果越好。
步骤二、缠绕固定：使用缠绕工装将带瓶嘴5的内胆2固定在四棱数控缠绕机上。
步骤三、表面处理：对内胆2外表面进行热处理8-10分钟，内胆2表面温度在65-75℃，用红外线测温仪监控测量数据，去除内胆2外表面的钝化层增加内胆2外表面的附着能力，使内胆与纤维缠绕层粘结紧密，不易出现分层，提高了气瓶使用的稳定性。
步骤四、配胶缠绕：配制粘度指数为25℃粘度6700MP·S的固化树脂，按照重量组份配制固化树脂，固化树脂包括80份CYD127环氧树脂、75份甲基四氢苯酐、3份N，N-二甲基苄胺，将固化树脂放入烘箱中加热保温一小时，加热温度40-50℃，使固化树脂达到凝胶时间大于8小时状态，将固化树脂与脂环族多胺环氧树脂固化剂按照重量组份5:4比例混合搅拌均匀，搅拌时间8-15分钟，将混合固化剂后的固化树脂倒入胶槽加热，胶槽加热温度48-52℃，将碳素纤维浸胶后进行纤维缠绕层3的缠绕，缠绕范围为气瓶的尾顶1与瓶嘴5之间的外壁，缠绕方式为环形螺旋缠绕且缠绕12-18层，环形螺旋缠绕由内向外具体为第一层环向89°纵向5°、第二层环向89°纵向6°、第三层环向89°纵向10°、第四层环向89°纵向13°、第五层环向89°纵向15°、第六层环向89°纵向18°、第七层环向89°纵向22°、第八层环向89°纵向25°、第九层环向89°纵向29°、第十层环向89°纵向33°、第十一层环向89°纵向40°、第十二层环向89°纵向45°，第十三层环向89°纵向50°、第十四层环向89°纵向53°、第十五层环向89°纵向55°、第十六层环向89°纵向57°、第十七层环向89°纵向59°、第十八层环向89°。
碳素纤维选用LUVOCOM@1/CF/30材料，其中含有的填充物为30％碳纤维增强材料，缠绕时碳素纤维张力控制为22-25N到10-15N由内向外逐层递减，纤维缠绕层3的总厚度为1.5mm-7.5mm，在由内向外径向缠绕时，对内胆2内部进行密封充气逐渐打压，为防止塑料内胆2在缠绕过程中变形，在缠绕纤维缠绕层3时内胆2内部进行密封充气逐渐打压，充气打压的初始压力为1bar，由内向外每两层增加0.1-0.16bar，在本实施例中，优选每层气压增加0.07bar。
步骤五、保护层缠绕：在纤维缠绕层3外缠绕保护层，保护层的缠绕范围为气瓶的尾顶1与瓶嘴5之间的圆柱体的外侧壁，使用步骤四中的混合固化剂后的固化树脂将玻璃纤维以环形螺旋缠绕，缠绕2-5层，缠绕时玻璃纤维张力控制为80N到100N由内向外逐层递减，保护层的总厚度为1mm-2.5mm，在本实施例中，优选缠绕4层。
步骤六、固化：将带有纤维缠绕层3的内胆2在10-20分钟内转移到固化炉中进行两次升温保温直至固化，第一次升温固化环境温度为60-80℃，保温90-150分钟，第二次升温固化环境温度为80-100℃，保温300-400分钟。
步骤七、装阀及整体气密：施加200N·m-250N·m的力矩在瓶嘴5安装阀门进行气密试验。
步骤八、包装入库：对气密合格的气瓶进行包装入库。
综上所述，塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法解决了内胆与纤维缠绕层易脱离的问题，解决密封性能失效问题，密封效果越好，内胆与纤维缠绕层粘结紧密，不易出现分层，提高了气瓶使用的稳定性的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于，包括：
步骤一、瓶嘴装配：对内胆的外表面及需要安装在内胆上的瓶嘴和尾顶使用99％以上浓度的无水乙醇清洗，去除表面的污渍，将密封圈、密封垫与瓶嘴装配形成待装配体，待装配体安装在内胆的瓶口上，尾顶安装在内胆的尾部上且与瓶口同轴度小于3毫米，待装配体、尾顶与内胆进行冷装配，将保证内胆与待装配体、尾顶在其工作温度下气瓶不会再次收缩；
步骤二、缠绕固定：使用缠绕工装将带瓶嘴的内胆固定在四棱数控缠绕机上；
步骤三、表面处理：对内胆外表面进行热处理8-10分钟，内胆表面温度在65-75℃，用红外线测温仪监控测量数据，去除内胆外表面的钝化层增加内胆外表面的附着能力；
步骤四、配胶缠绕：配制粘度指数为25℃粘度6700MP·S的固化树脂，将固化树脂放入烘箱中加热保温一小时，加热温度40-50℃，使固化树脂达到凝胶时间大于8小时状态，将固化树脂与脂环族多胺环氧树脂固化剂按照重量组份5:4比例混合搅拌均匀，搅拌时间8-15分钟，将混合固化剂后的固化树脂倒入胶槽加热，胶槽加热温度48-52℃，将碳素纤维浸胶后进行纤维缠绕层的缠绕，缠绕范围为气瓶的尾顶与瓶嘴之间的外壁，缠绕方式为环形螺旋缠绕且缠绕12-18层，缠绕时碳素纤维张力控制为22-25N到10-15N由内向外逐层递减，在由内向外径向缠绕时，向内胆充装压力逐层递增的压缩空气，纤维缠绕层的总厚度为9.5mm-12.5mm；
步骤五、保护层缠绕：在纤维缠绕层外缠绕保护层，保护层的缠绕范围为气瓶的尾顶、瓶嘴及筒身部位，不允许增强层裸露；
步骤六、固化：将带有纤维缠绕层的内胆在10-20分钟内转移到固化炉中进行两次升温保温直至固化；
步骤七、装阀及整体气密：施加200N·m-250N·m的力矩在瓶嘴安装阀门进行气密试验。
步骤八、包装入库：对气密合格的气瓶进行包装入库。
2.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于：步骤一中，待装配体与内胆在-40℃环境内进行冷装配，内胆与待装配体的工作温度为-40℃～65℃，使密封圈紧密地被压缩在瓶嘴与内胆之间，形成良好的密封效果。
3.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于：步骤四中，按照重量组份配制固化树脂，固化树脂包括80份CYD127环氧树脂、75份甲基四氢苯酐、3份N，N-二甲基苄胺。
4.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于：步骤四中，环形螺旋缠绕由内向外具体为第一层环向89°纵向5°、第二层环向89°纵向6°、第三层环向89°纵向10°、第四层环向89°纵向13°、第五层环向89°纵向15°、第六层环向89°纵向18°、第七层环向89°纵向22°、第八层环向89°纵向25°、第九层环向89°纵向29°、第十层环向89°纵向33°、第十一层环向89°纵向40°、第十二层环向89°纵向45°，第十三层环向89°纵向50°、第十四层环向89°纵向53°、第十五层环向89°纵向55°、第十六层环向89°纵向57°、第十七层环向89°纵向59°、第十八层环向89°。
5.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于：步骤四中，为防止塑料内胆在缠绕过程中变形，在缠绕纤维缠绕层时内胆内部进行密封充气逐渐打压，充气打压的初始压力为1bar，由内向外每两层增加0.1-0.16bar。
6.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于，步骤五中，使用步骤四中的混合固化剂后的固化树脂将玻璃纤维以环形螺旋缠绕，缠绕2-5层，缠绕时玻璃纤维张力控制为80N到100N由内向外逐层递减，保护层的总厚度为9.5mm-12.5mm。
7.如权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法，其特征在于：步骤六中，第一次升温固化环境温度为60-80℃，保温90-150分钟，第二次升温固化环境温度为80-100℃，保温300-400分钟。
8.使用权利要求1-7任一项所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法制造的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，包括内胆，内胆大致呈圆筒型且两端大致为圆弧形，内胆两端相对设置有尾柱和瓶口，尾柱由内胆向外延伸构成，瓶口上过盈装配有瓶嘴，瓶嘴内安装有密封圈与密封垫，密封圈位于瓶嘴与内胆上瓶口的侧表面之间，密封垫位于瓶嘴与内胆上瓶口的端面之间，尾柱上过盈装配有尾顶，瓶嘴和尾顶与内胆接触的一端均向外延伸出外沿部，外沿部与内胆两端的圆弧面相适应且紧密贴合，所述气瓶的尾顶与瓶嘴之间的外壁上包覆有环形螺旋缠绕的纤维缠绕层，纤维缠绕层将所述瓶嘴和尾顶的外沿部包覆使瓶嘴、尾顶、内胆连接为一体，纤维缠绕层包括碳素纤维和固化树脂，在纤维缠绕层外缠绕保护层，保护层包括玻璃纤维和固化树脂。
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