玄武岩纤维及碳纤维混杂复合材料压缩天然气气瓶及制备
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩天然气气瓶，特别提供一种玄武岩纤维及碳纤维混杂复合材料压缩天然气气瓶及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国车用压缩天然气的存贮已使用了钢制气瓶、玻璃纤维环向缠绕钢制气瓶和碳纤维缠绕铝合金气瓶。钢制气瓶和玻璃纤维环向缠绕钢制气瓶虽然成本较低，但相对比较笨重，且工作压力一般都低于20MPa，承装气体量较少；碳纤维缠绕铝合金气瓶虽然具有质轻高强的特点，也存在层间剪切性能较差的问题，尤其是受冲击后复合材料的强度下降明显；另外碳纤维成本较高，也影响了碳纤维缠绕铝合金气瓶的使用性。
【发明内容】
[0003]针对上述问题及不足，本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维及碳纤维混杂复合材料压缩天然气气瓶及其制备方法，在有效节省成本的同时，提供一种具有更高工作压力和更好抗冲击性能的压缩天然气气瓶。
[0004]本发明具体提供了一种玄武岩纤维及碳纤维混杂复合材料压缩天然气气瓶，其特征在于:所述气瓶的复合层由环氧树脂基体、玄武岩纤维、碳纤维与玻璃纤维构成。
[0005]本发明所述压缩天然气气瓶，其特征在于:所述环氧树脂基体的组成为碳纳米管、环氧树脂、固化剂、促进剂和消泡剂。其中环氧树脂为均匀掺杂碳纳米管的热固性酚醛类环氧树脂或双酚A类环氧树脂，固化剂优选为甲基四氢苯酐，消泡剂优选为有机硅酮复合物，促进剂优选为甲基六氢苯酐。
[0006]环氧树脂与其他组分的质量比优选为环氧树脂:碳纳米管:固化剂:消泡剂:促进剂=100:0.5-10:60-80:0.1-5:0.1-5。
[0007]本发明所述压缩天然气气瓶，其特征在于:所述玄武岩纤维为经过硅烷偶联剂处理过的纤维(优选线密度1200tex，强度不低于3600MPa);所述碳纤维为T700级干喷湿纺碳纤维(优选丝束为12K，强度介于4600-5400MPa之间)；所述玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理过的E型玻纤(优选线密度为1200tex，强度不低于2400MPa)。
[0008]本发明所述压缩天然气气瓶，其特征在于:如图1所示，所述气瓶从内到外依次为铝合金内衬层1、层间粘结协调层2、玄武岩纤维复合层3、碳纤维复合层4以及玻璃纤维复合材料外防护层5。铝合金内衬层I的表面涂覆层间粘结协调层2，层间粘结协调层2的外表面与玄武岩纤维复合层3的内表面粘结，碳纤维复合层4的内表面缠绕在玄武岩纤维复合层3上，最外层为玻璃纤维复合材料外防护层5。
[0009]复合材料具备质轻高强等一系列优点，但抗剪切性能较差，本发明采用掺有碳纳米管的环氧树脂与纤维进行复合，有效的提高了单束纤维及层间的粘结性能及抗剪切强度，提高了气瓶碰撞后的使用寿命。玄武岩纤维的力学性能超过普通玻璃纤维，具有良好的抗湿热特性；与碳纤维相比，其具有明显的成本优势以及更广泛的应用性。用玄武岩纤维与碳纤维混杂复合材料制备的压缩天然气气瓶，可以在保证产品性能的同时有效降低成本，本发明的气瓶工作压力达到35MPa，经1.8m高空坠落实验后爆破压力仍超过130MPa，安全系数超过3.4倍，具有良好的使用性能和成本优势。
[0010]本发明还提供了所述气瓶的制备方法，其特征在于，所述制备方法由层间粘结协调层的涂覆、玄武岩纤维复合层缠绕、碳纤维复合层缠绕、玻璃纤维复合层缠绕及复合层固化构成，具体步骤如下:
[0011]①、层间粘结协调层涂覆
[0012]在销合金内衬层I的外表面涂覆层间粘结协调层2，该层厚度为0.1-0.5mm，该协调层选用双酚A类环氧树脂或聚氨酯涂料；
[0013]②、玄武岩纤维复合层缠绕
[0014]配制环氧树脂基体胶液，胶液成分及质量比为环氧树脂:碳纳米管:固化剂:消泡剂:促进剂=100:0.5-10:60-80:0.1-5:0.1-5 ;环向缠绕和螺旋缠绕交替缠绕玄武岩纤维复合层3，其中环向纤维缠绕厚度为1.2-2.4mm，螺旋纤维缠绕厚度为0.8-1.2mm，缠绕角为25-60°，形成玄武岩纤维复合层3;
[0015]③、碳纤维复合层缠绕
[0016]步骤②完成后，将玄武岩纤维更换为碳纤维，环向缠绕和螺旋缠绕交替缠绕碳纤维复合层4，其中环向纤维缠绕厚度为4.6-6.8mm，螺旋纤维缠绕厚度为2.8-3.9mm，缠绕角度为15-45°，形成碳纤维复合层4;
[0017]④、玻璃纤维复合层缠绕
[0018]待步骤③完成后，将碳纤维更换为玻璃纤维，依次进行螺旋和环向缠绕，其中螺旋缠绕厚度为0.6-0.9mm，缠绕角度为15°，环向缠绕厚度为0.3-0.5mm，形成玻璃纤维复合材料外防护层5 ；
[0019]⑤、复合层固化
[0020]将上述混杂叠加缠绕成型后的气瓶放入固化炉内固化，固化制度为900C /2.5h+125°C /4.5h:其中90°C固化的2.5h区间内，气瓶瓶体保持每15秒钟360°的转动，使气瓶表面树脂流动均匀。
[0021]本发明所述气瓶的制备方法，其特征在于:缠绕工艺采用湿法连续缠绕，分别牵引玄武岩纤维、碳纤维及玻璃纤维粗纱通过树脂胶槽浸润树脂胶液以环向或螺旋排纱方式进行连续缠绕成型。缠绕过程中张力波动范围控制在±2N内。
[0022]本发明采用玄武岩纤维及碳纤维混杂复合材料制作压缩天然气气瓶的有益效果为:
[0023]碳纳米管均匀掺杂在环氧树脂基体中，可以提高纤维束内及束间的粘结性能，同时还能提高复合材料的层间剪切性能，进而提升气瓶的防碰撞性能，确保气瓶具有更高的安全性；
[0024]玄武岩纤维增强材料的综合性能优越:抗拉强度高、弹性模量高，化学稳定性好，具有优良的耐候性；另外玄武岩纤维的原料来源广泛、生产成本低，具有明显的成本优势。因此，采用玄武岩纤维与碳纤维混杂复合材料在保证气瓶承压能力的同时，有效的降低了车用压缩天然气气瓶的成本。
【附图说明】
[0025]图1本发明压缩天然气气瓶结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
[0027]采用湿法缠绕工艺，制备工作压力为35MPa的100L玄武岩纤维与碳纤维混杂复合材料压缩天然气气瓶，玄武岩纤维缠绕张力为20-16N递减，碳纤维张力为30-23N递减，玻璃纤维为18-15N递减。
[0028]主要原材料:EPIKOTE 828环氧树脂，线密度1200tex、抗拉强度为3800MPa的经过KH-550硅烷偶联剂处理过的玄武岩纤维，抗拉强度为5012MPa的SYT49-12K碳纤维和抗拉强度为2800MPa的经过UP-570偶联剂处理过的ERC-550玻璃纤维；
[0029]将环氧树脂基体、玄武岩纤维、碳纤维及玻璃纤维通过工艺装备、工艺技术和结构设计复合成压力容器产品，由层间粘结协调层的涂覆、玄武岩纤维复合层缠绕、碳纤维复合层缠绕及玻璃纤维复合层缠绕及复合层固化构成，具体步骤如下:
[0030]步骤一、层间粘结协调层涂覆
[0031]将铝合金内衬安装在每15秒钟旋转360°的固定支架上，用毛刷蘸取白色高固丙烯酸聚氨酯水性涂料进行涂覆，确保铝胆外表面被全部涂覆，且涂覆均匀，该层厚度为0.3mm ；
[0032]步骤二、玄武岩纤维复合层缠绕
[0033]配制环氧树脂基体胶液，各组分具体质量比为:EPIKOTE 828环氧树脂:C352350多壁碳纳米管:甲基四氢苯酐固化剂:甲基六氢苯酐促进剂:AFE-1520有机硅酮消泡剂=100:5:75:0.5:0.5，搅拌均匀，确保各组分的均匀混合。
[0034]采用湿法缠绕工艺缠绕玄武岩纤维复合层，按照892/352/892的缠绕顺序完成缠绕，其中环向纤维缠绕总厚度为1.7mm，螺旋纤维缠绕厚度为0.8mm，缠绕张力依次为20N/18N/16N，形成玄武岩纤维复合层；
[0035]步骤三、碳纤维复合层缠绕
[0036]将玄武岩纤维更换为碳纤维，按照892/152/892/202/892/452/892/232/892/162/893的缠绕顺序完成缠绕，其中环向纤维缠绕厚度为6.5mm，螺旋纤维缠绕厚度为3.4mm，环向张力由30N递减至25N，螺旋张力由27N递减至23N，形成碳纤维复合层；
[0037]步骤四、玻璃纤维复合层缠绕
[0038]将碳纤维更换为玻璃纤维，按照152/892的缠绕顺序完成缠绕，其中螺旋缠绕厚度为0.6mm，环向缠绕厚度为0.5mm，缠绕张力为20N/18N，形成玻璃纤维复合材料外防护层；
[0039]步骤五、复合层固化
[0040]将上述混杂叠加缠绕成型后的气瓶放入固化炉内固化，固化制度为900C /2.5h+125°C /4.5h:其中90°C固化的2.5h区间内，气瓶沿轴向保持每15秒钟360。的转动，确保气瓶表面树脂流动均匀；
[0041]按照本实例，选用玄武岩纤维、碳纤维混杂复合材料制备的压缩天然气气瓶样品，其中一只直接进行水压爆破，结果为135M