聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环及制备的制作方法

本发明涉及气瓶保护装置，特别提供了一种聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环及其制备方法。

背景技术：

目前，我国高压气体的运输及存储基本采用气瓶的形式。气瓶是一种特种承压设备，具有潜在的爆炸危险，且其承装介质一般具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀等性质，使用环境又因其移动、反复充装、和使用环境变化的特点，比其他特种设备的使用工况更加严格、苛刻。气瓶一旦失效，则可能会出现爆炸、特种气体泄漏等风险，影响极其严重。

积累的大量气瓶周期检验数据表明，气瓶在运输过程中，由于封头部位的特殊性，非常容易出现磕碰、损伤等情况，这样会对气瓶的使用寿命带来不可逆的影响，可能会造成气瓶的泄漏、爆炸等情况，为解决此类问题，提出了一种聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环，提升气瓶的使用可靠性。

技术实现要素：

针对上述问题及不足，本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环及其制备方法，以提供一种具有更高可靠性和耐冲击、磕碰等特性的复合材料气瓶防护方法。

本发明具体提供了聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环，其特征在于：所述加强环是由橡胶、环氧树脂基体、聚酰亚胺纤维构成，重量配比为橡胶：环氧树脂基体：聚酰亚胺纤维＝5-20:20-35:50-70。

本发明所述聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环，其特征在于：所述橡胶为三元乙丙型橡胶，正硫化温度为150℃，对应的t90时间为45min；所述聚酰亚胺纤维拉伸强度≥3500mpa，断裂延伸率≥2％，聚酰亚胺纤维表面经过硅烷偶联剂处理；所述环氧树脂基体的玻璃化转变温度为120-160℃，25℃时树脂基体的粘度为100-5000厘泊，所述环氧树脂优选为汉森828环氧树脂，固化剂为脂环族胺类jh5200固化剂，玻璃化转变温度为160℃，25℃时环氧树脂及固化剂混合物的粘度为2000厘泊。

本发明所述聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环，其特征在于：如图1所示，所述加强环从内到外依次为橡胶层1、热硫化胶黏剂2、聚酰亚胺纤维缠绕复合层3。

橡胶层1的表面涂覆热硫化胶黏剂层2，热硫化胶黏剂层2的外表面与聚酰亚胺纤维缠绕复合层3界面粘结。

本发明所述聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环，其特征在于：制备步骤为：橡胶层施工→涂覆界面胶黏剂→聚酰亚胺纤维复合层缠绕→橡胶/树脂的共硫化/固化。具体制备步骤如下：

1)、橡胶层施工

在铝合金内衬上涂覆脱模剂，之后表面贴覆厚度为0.05-0.15mm的聚四氟乙烯布，结合内衬的相应尺寸裁剪三元乙丙橡胶生片，在内衬外表面铺覆橡胶，橡胶层1厚度为1-3mm，放入烘箱中预硫化定型，工艺制度为50-150℃/2h，之后随炉冷却；

2)、涂覆热硫化胶黏剂

用毛刷在橡胶表面涂覆热硫化胶黏剂2，在25℃环境下静置30-90min，达到表面干燥状态，胶膜厚度为0.01-5μm；

3)、聚酰亚胺纤维复合层缠绕

采用环向和螺旋交替的缠绕方式，完成聚酰亚胺纤维复合层，其中环向纤维缠绕角度为89°，厚度为1.2-2.4mm；螺旋纤维缠绕角度为60°，厚度为1.8-3.6mm，形成聚酰亚胺纤维缠绕复合层3；

环向、螺旋缠绕遵循张力逐层递减的原则，由16n逐层减小到12n，缠绕张力波动范围±1n；环向、螺旋缠绕的线速度在4-20m/min之间。

4)、橡胶/树脂的共硫化/固化

将上述带有铝合金内衬的聚酰亚胺纤维缠绕复合层放入烘箱内进行橡胶/树脂的共硫化/固化，工艺制度为70℃/2.5h+100℃/4.5h+160℃/6h，固化过程铝合金内衬转动角速度为1440-4320°/min，使复合层表面树脂流动均匀；之后将加强环从铝合金内衬表面进行脱模处理，获得聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环。

本发明加强环采用湿法缠绕工艺成型，由于橡胶及聚酰亚胺纤维缠绕复合层的可变形性，非常易于安装在气瓶的封头部位进行气瓶加强，除此之外本发明的有益之处还在于：由于气瓶在使用过程中，受到磕碰最多的位置即为封头处，易造成气瓶可靠性及使用寿命下降。采用本发明加强环对气瓶封头处进行可靠性加强，补强效率高，重量增加少，可以使气瓶在经过磕碰、冲击后保持很好的可靠性，满足气瓶存储高压气体所需的高可靠性、高安全性要求。实验数据表明，经过加强环处理之后，气瓶经多次磕碰、冲击后的爆破强度较未经加强环处理的气瓶可提升10％以上，使用可靠性及寿命大大增加。

附图说明

图1本发明聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环结构示意图。

具体实施方式

本实施例聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环的制备过程为：

a、橡胶层施工

在铝合金内衬上涂覆脱模剂，之后表面贴覆厚度为0.12mm的聚四氟乙烯布，结合内衬的相应尺寸裁剪三元乙丙橡胶生片，在内衬外表面铺覆橡胶，橡胶层1厚度为3mm，放入烘箱中预硫化定型，工艺制度为100℃/2h，之后随炉冷却；

b、涂覆热硫化胶黏剂

用毛刷在橡胶表面涂覆热硫化胶黏剂2，在25℃环境下静置60min，达到表面干燥状态，胶膜厚度为0.05μm；

c、聚酰亚胺纤维复合层缠绕

采用环向和螺旋交替的缠绕方式，完成聚酰亚胺纤维复合层，其中环向纤维缠绕角度为89°，缠绕张力为16n到14n递减，缠绕速度为10m/min，复合层厚度为1.6mm；螺旋纤维缠绕角度为60°，缠绕张力为14n到13n递减，复合层厚度为2.0mm，形成聚酰亚胺纤维缠绕复合层3；

d、橡胶/树脂的共硫化/固化

将上述带有铝合金内衬的聚酰亚胺纤维缠绕复合层放入烘箱内进橡胶/树脂的共硫化/固化，工艺制度为70℃/2.5h+100℃/4.5h+160℃/6h，固化过程铝合金内衬转动角速度为3600°/min，使复合层表面树脂流动均匀；之后将加强环从铝合金内衬表面进行脱模处理，获得聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环。

实施例1

聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环的主要原材料为：正硫化温度为160℃的三元乙丙橡胶，玻璃化转变温度为160℃的环氧树脂，拉伸强度为3800mpa、断裂延伸率2.1％的聚酰亚胺纤维。

聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环的重量配比为橡胶：环氧树脂基体：聚酰亚胺纤维＝10:20:60。

缠绕工艺采用湿法缠绕工艺，聚酰亚胺纤维张力为16-12n递减，环向缠绕线速度为8m/min，螺旋缠绕线速度为6m/min。

按照本实例，选用两只工作压力为20mpa的8l铝合金气瓶，一只未经加强环保护处理的气瓶经10次1.5m高空坠落之后直接进行爆破，结果为45mpa；另一只经加强环保护处理的气瓶，同样经10次1.5m高空坠落之后进行水压爆破，结果为52mpa，显示出按照本发明所述方法制备的聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环具有良好的气瓶防护效果，可以有效提升高压气瓶所需的高可靠性和高疲劳寿命等要求。

实施例2

与实施例1不同之处在于所选橡胶不同：

本实施例所选橡胶的正硫化温度为150℃。

实施例3

与实施例1不同之处在于所选环氧树脂不同：

本实施例所选环氧树脂的玻璃化转变温度为150℃。

实施例4

与实施例1不同之处在于所选环氧树脂不同：

本实施例所选环氧树脂的玻璃化转变温度为150℃。

实施例5

与实施例1不同之处在于加强环的重量配比及缠绕速度不同：

聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料加强环的重量分数比为橡胶：环氧树脂基体：聚酰亚胺纤维＝20:35:70。

缠绕工艺采用湿法缠绕工艺，环向缠绕线速度为20m/min，螺旋缠绕线速度为10m/min。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。