一种纤维全缠绕塑料内胆复合气瓶的制造方法与流程

本发明涉及压力容器制造领域。更具体地涉及一种纤维全缠绕塑料内胆复合气瓶的制造方法。

背景技术：

随着新能源技术的不断发展，与之配套的能源装配储运技术近年来也得到长足发展，国内外对于盛装能源介质特别是气体介质的压力气瓶的需求也大幅增加，但目前国内市场应用于高压气体储运的气瓶绝大多数为全金属或者具有金属内胆的纤维缠绕增强气瓶，容重比很低，且金属内胆存在内壁腐蚀等问题，另外随着国家对气瓶安全性能要求的日趋严格，在容积不变的情况下，气瓶重量要求越来越轻，塑料内胆缠绕气瓶由于综合了高性能纤维及特种塑料的特点，在保证气瓶安全性能的前提下，其重量相比较金属气瓶重量减少60％以上，所以塑料内胆全缠绕气瓶具有很高的容重比而且气瓶具有很好的耐腐蚀性能以及在气瓶爆破时具有较长的逃生时间。

由于强度与刚度的需要，气瓶瓶口需要采用金属材料设计，需要通过合理的设计金属部分的结构、形状以及采用合理的工艺将金属与非金属内胆进行很好的结合。目前金属瓶口与塑料内胆结合的问题虽然有所改善，然而金属部分的密封问题仍然函待解决。

目前塑料内胆的材料大部分是采用高密度聚乙烯(HDPE)，而HDPE的粘结性能很差导致纤维复合层与内胆层分层，严重影响气瓶的使用寿命及安全。所以为了提高气瓶的安全性能，在内胆成型后需要对内胆外表面进行处理以此来提高内胆与纤维复合层之间的粘结强度；

因此，本领域迫切需要提供一种能够有效解决内胆与气瓶口的密封性以及内胆与纤维复合层粘结性问题的新型复合气瓶。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种新的全缠绕塑料内胆复合气瓶的制造方法。

本发明提供了一种纤维全缠绕塑料内胆复合气瓶的制造方法，所述方法的步骤包括塑料内胆成型、塑料内胆外表面处理、纤维缠绕和固化，所述内胆是将开口处的封头与堵头处的封头分别与筒身直线段焊接形成；所述开口处的封头是将带有通孔螺纹的金属接头与塑料通过注塑形成；所述堵头处封头是将带有非通孔螺纹的金属接头与塑料通过注塑形成。

在另一优选例中，所述塑料内胆外表面处理是对内胆的筒身直线段和两封头进行火焰处理或等离子电晕处理。

在另一优选例中，所述封头的注塑形成是将铝合金接头加热到70-100℃(更优选75-85℃)后放置在封头的模具中进行注塑。

在另一优选例中，在封头的所述螺纹处放置硅胶垫、锁紧平垫和锁紧螺母；所述放置顺序为先安装硅胶垫，然后是锁紧平垫，最后用锁紧螺母。

在另一优选例中，所述焊接是将筒身直线段管材固定在焊接机中央，再将两个封头分别固定在焊接机的两端，使焊接机将两封头与管材进行焊接并在2.0-3.0MPa(更优选2.0-2.5MPa)下保压3-10min(更优选5-6min)。

在另一优选例中，所述金属接头材料为铝合金，所述塑料材料为高密度聚乙烯。

在另一优选例中，火焰处理时外焰温度在1000℃±50℃，火焰处理时间1-1.5min,火焰距离内胆外表面的距离为使火焰的外焰进行处理。

在另一优选例中，火焰处理后的内胆表面张力在45达因(更优选50达因)以上；火焰处理后的内胆放置时间不超过4小时(更优选不超过3小时)。

在另一优选例中，缠绕用纤维为碳纤维或碳纤维和玻璃纤维；缠绕用胶液包括环氧树脂、固化剂和消泡剂。

据此，本发明提供了一种能够有效解决内胆与气瓶口的密封性以及内胆与纤维复合层粘结性问题的新型复合气瓶。

附图说明

图1为成品气瓶剖面图；其中，

1为塑料内胆，2为碳纤维缠绕层，3为玻璃纤维缠绕层，4为开口处的金属接头，5为堵头处的金属接头，6为封头与筒身直线段的焊接处，7为开口处的封头，8为堵头处的封头，9为筒身直线段。

图2为开口处封头的剖面图；其中4为金属接头。

图3为堵头处封头的剖面图；其中5为金属接头。

图4为塑料内胆的剖面图；其中，

41表示塑料内胆筒身直线段，42表示带有开口金属件的封头，43带有堵头金属件的封头。

图5为金属接头的放大图；其中，

51表示金属件中的燕尾槽，52表示金属件中带有的外螺纹部分，53表示金属锁紧螺母，54表示金属锁紧垫片，55表示硅胶垫片。

具体实施方式

发明人通过焊接将气瓶塑料内胆的封头与筒身直线段连接，封头的金属接头不仅通过燕尾槽结构增强密封性的同时增强其与塑料的连接强度，同时还通过在螺纹处加装硅胶垫、锁紧平垫和锁紧螺母进一步加强密封作用及连接强度。

本发明还通过控制火焰处理的距离、时间等提高塑料内胆的表面张力，增强塑料内胆与纤维复合层的连接强度。在此基础上，完成了本发明。

本发明提供的纤维全缠绕塑料内胆复合气瓶的制造方法除了包括现有技术中的一些常规步骤，例如但不限于，塑料内胆成型、纤维缠绕、产品固化、水压试验、气密试验等；进一步地，在塑料内胆成型中增加了使密封性更佳的改进措施，在另一种优选方式中还包括塑料内胆外表面的处理。

具体地，参见附图1，本发明提供的塑料内胆1采用三段式结构，即筒身直线段9加分别处于开口处和堵头处的封头7和封头8，其中筒身直线段9采用挤出工艺成型一定直径、壁厚的管材。

封头7或8分别与挤出的管材筒身直线段9通过平板焊接成密封的内胆1，其中6为焊接处，焊接方法：筒身直线段管材9放置在焊接机中央然后固定，再将两个封头7、8分别放置在焊接机的两端固定，启动焊接机将两封头与管材进行焊接并在2.0-3.0MPa(优选2.0-2.5MPa)下保压3-10min(优选5-6min)，确保焊接口充分融合以及焊接强度。

封闭的内胆1由封头7、封头8以及筒身直线段9通过焊接形成；封头7是由带有PZ27.8通孔螺纹的金属接头4与塑料通过注塑形成；封头8是由带有螺纹的非通孔螺纹的金属接头5与塑料通过注塑形成；所述金属为铝合金。

封头7或8是由带有螺纹的金属接头4或5与非金属部分(例如但不限于，高密度聚乙烯(HDPE))组成，其成型工艺首先将铝合金接头4或5预热到70-100℃(优选75-85℃)，然后放置在封头的模具中，通过注塑工艺将金属接头镶嵌在塑料材料中形成一个近似椭球型的封头7或8；在一种优选方式中，注塑时所有的燕尾槽处都被注满。

参见附图5，金属接头一方面通过采用燕尾槽(51)的结构以及燕尾槽的深度为2-4mm(优选2.5-3.5mm),燕尾槽宽度为4-8mm(优选5-6mm)，增加了金属与塑料的紧密结合度，增强密封性能的同时也增强了金属与塑料的连接强度，另一方面，金属接头内部延伸段开有外螺纹(52)，通过加装硅胶垫(55)、锁紧平垫(54)和锁紧螺母(53)，安装顺序是在外螺纹(52)上先安装硅胶垫然后是锁紧平垫最后用锁紧螺母。螺纹连接增加金属与非金属的连接强度，同时在螺纹处增加的硅胶垫、锁紧平垫以及锁紧螺母也起到了密封作用。

在本发明的一种优选方式中，金属接头的燕尾槽尺寸为燕尾槽的深度为2-4mm(优选2.5-3.5mm),燕尾槽宽度为4-8mm(优选5-6mm)，燕尾槽个数可以为1、2或3个，可进一步提高连接强度和密封性能。

更佳地，本发明在金属燕尾槽处还可以增加耐高温、耐疲劳性能的O型圈，进一步提高封头金属部分与非金属部分连接处的密封性能。

参见附图1，在本发明的一种实施方式中，内胆1还外加碳纤维缠绕层2以及玻璃纤维缠绕3，但在缠绕前将内胆1的外表面进行火焰处理。目前采用火焰处理的都是一些壁厚偏薄(壁厚小于5mm)和面积较小的产品，而本发明处理的产品壁厚10mm左右,表面积很大且形状不规则。焊接好的塑料内胆用有机溶剂(包括但不限于，丙酮、酒精)清洗后，放置在自制的火焰处理设备上，对内胆的筒身直线段9和两封头7和8进行火焰处理，火焰处理采用的是天然气与空气的混合气体(优选火焰颜色为白色)，处理时应用火焰的外焰进行处理，火焰的温度控制1000℃左右，经过处理后的内胆表面张力达到45达因以上，经过火焰处理后的内胆应尽快缠绕，放置时间不得超过4小时。内胆1的材料为HDPE时，一般与树脂胶液的粘结性能很差，导致塑料内胆与纤维复合层分层，本发明提供的火焰处理方式可通过高温使得塑料材料表面发生氧化反应产生极性基团，提高塑料表面的表面张力，从而改善塑料的胶粘性能。

塑料内胆的外表面也可以采用等离子电晕处理，进一步提高效率以及实现无人操作。

内胆1的外表面进行了火焰处理后，可以使用本领域常用的方式对塑料内胆进行纤维缠绕，例如但不限于，环向缠绕与螺旋缠绕相互结合往复循环的缠绕方式，也可以采用任何能够将纤维紧密缠绕在塑料内胆上的其他缠绕方式。可以只采用碳纤维缠绕，外层不采用玻纤缠绕，另一种是采用碳纤维缠绕作为增强层，然后在碳纤维层外缠绕玻璃纤维层作为碳纤维的保护层。

在本发明的一种实施方式中，缠绕所用的原材料包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、固化剂、和消泡剂；树脂胶液水域温度控制在32-45℃，胶液温度控制在30-40℃，环境温度控制在25-30℃；纤维经过沾有胶液的胶辊，即纤维的进胶方式采用上进胶，控制单根纱的张力为10-15N，然后按照预先编好的缠绕程序使用四维数控缠绕机将纤维紧密缠绕在金属内胆上，所用的纤维缠绕方式可以是环向缠绕与螺旋缠绕相互结合往复循环的缠绕方式，也可以采用任何能够将纤维紧密缠绕在塑料内胆上的其他缠绕方式；单个气瓶的纤维含胶量(胶液的重量/胶液+纤维的总重量)控制在25％-30％；气瓶缠绕完成后，在气瓶表面刷涂1-3遍树脂胶液，胶液要保证刷涂均匀。

缠绕碳纤维后的气瓶应尽快进行玻纤缠绕，碳纤维缠绕后放置时间不得超过2小时，玻纤缠绕完成后应尽快进入固化炉里固化，固化温度为50-80℃，优选70±5℃，固化时间为4-8小时，优选为6-8小时。

在本发明的一种实施方式中，经过固化的产品可采用本领域常规的外测法进行水压试验。

本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。

本发明的主要优点在于：

1、本发明提供一种新的塑料内胆全缠绕复合气瓶的制备方法。

2、本发明提供了一种金属瓶口与塑料内胆紧密结合的方法，解决了塑料内胆成型及密封性等问题。

3、本发明提供的方法制备的复合气瓶一方面解决了气瓶安全性能的问题，另一方面解决了气瓶容重比低的问题。

4、本发明使用的塑料内胆外表面的处理工艺，解决了塑料内胆与纤维复合层粘结差的问题。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分数、比率、比例、或份数按重量计。本发明中的重量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的，例如是指在100毫升的溶液中溶质的重量。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例

参见附图1-5

内胆成型：

塑料内胆1的材料采用北欧化工生产的高密度聚乙烯(HDPE)；

内胆结构采用三段式结构，即筒身直线段加两封头，即附图中7、8两个封头及筒身直线段9，其中筒身直线段9采用挤出工艺成型直径为428mm、壁厚为10mm的管材；

封头7、8是由带有螺纹的铝合金金属部分4、5与非金属部分组成，其成型工艺首先将铝合金接头4、5预先加热到70-100℃，然后放置在封头的模具中，然后通过注塑工艺将铝合金接头镶嵌在塑料材料中形成一个近似椭球型的封头7、8，注塑时要保证所有的燕尾槽处都被注满；

金属接头的燕尾槽51尺寸为燕尾槽的深度为3mm,燕尾槽宽度为5mm，燕尾槽个数可以为3个；铝合金接头内部延伸段开有外螺纹52，在外螺纹的位置上先安装硅胶垫55然后是锁紧平垫54最后用锁紧螺母53；

筒身直线段管材9放置在焊接机中央然后固定，再将两个封头7、8分别放置在焊接机的两端固定，启动焊接机将两封头与管材进行焊接并在2.5MPa下保压5min，确保焊接口充分融合以及焊接强度，得到密封的内胆1。

内胆外表面处理：

1)焊接好的塑料内胆再用有机溶剂清洗后，放置在火焰处理设备上，对内胆的筒身直线段和两封头进行火焰处理；

2)火焰处理采用的是天然气与空气的混合气，处理时要保证使用火焰的外焰进行处理，火焰的温度控制1000℃左右，火焰处理时间控制在1分钟左右，另外要保证处理后的内胆表面张力达到47达因以上；

3)经过火焰处理后的内胆应尽快缠绕，放置时间不超过3小时。

纤维缠绕：

使用符合下述树脂体系要求的进行缠绕：

1)树脂胶液在25-28℃范围内的可操作时间为3-4小时；

2)胶液的固化温度不得超过80℃，最佳的固化温度为70℃，固化完成时间为6-8小时；

3)树脂体系固化后的剪切强度要在13.8MPa以上。

缠绕所用的原材料主要有：碳纤维，玻璃纤维，环氧树脂，固化剂，消泡剂，树脂胶液的比例为环氧树脂：固化剂：消泡剂＝100:40:0.5；

树脂胶液水域温度控制在32-45℃，胶液温度控制在30-40℃，环境温度控制在25-30℃；

纤维经过沾有胶液的胶辊，即纤维的进胶方式采用上进胶，控制单根纱的张力为10-15N，然后按照预先编好的缠绕程序使用四维数控缠绕机将纤维紧密缠绕在金属内胆上，所用的纤维缠绕方式为8H/5C/5H/4C/3H/4C/2H其中H表示环向缠绕，C表示螺旋向缠绕；

单个气瓶的纤维含胶量(胶液的重量/胶液+纤维的总重量)控制在25％-30％；气瓶缠绕完成后，在气瓶表面刷涂两遍树脂胶液，胶液要保证刷涂均匀。产品固化：

进行了纤维缠绕后在70℃固化8小时。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。