專利名稱：一種使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法
技術領域：
本發明涉及一種使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，尤其涉及一種使用40K 至50K之間的大絲束碳纖維制造碳纖維復合材料壓力容器的方法。
背景技術：
碳纖維復合材料制品具有重量輕、強度高、失效形式安全等許多優點，被廣泛應用 于航空航天、化工、建筑、電子等領域。近年來，隨著應用領域和市場需求的不斷擴大，其制 造過程的低成本、高效率成為各行業的研究熱點。其中碳纖維纏繞復合材料制品是近年來 應用研究的熱點，成為先進復合材料發展最快的技術。碳纖維纏繞復合材料主要應用于航空航天、壓力容器以及化工等高新技術領域。 影響其生產效率和制造成本的因素很多，其中原材料碳纖維及其工藝技術是主要的關鍵因 素。在過去的20年里，大部分的碳纖維纏繞制品主要集中在小絲束碳。所謂碳纖維的絲束 是指碳纖維在原絲制造階段，每一股纖維絲束的根數，通常把1000根定義為1K。碳纖維的 絲束到目前為止，基本集中在1K，3K，6K，12K，24K，48K，50K等數量級別。大絲束和小絲束碳 纖維之間并無嚴格的界限和定義，但一般把24K以下的碳纖維叫做小絲束，把40K以上的碳 纖維叫做大絲束。一般用于濕法纏繞工藝的主要集中在24K(含)以下的碳纖維，大絲束碳 纖維基本用于拉擠工藝、預浸料以及短切模塑料等復合材料制品。僅僅從纖維的理化性能 比較，大絲束碳纖維與小絲束碳纖維相比，大絲束碳纖維具有價格低廉(一般低于小絲束 纖維的2倍到3倍)、力學性能相當(與小絲束纖維的拉伸強度和拉伸模量相當)等許多優 點。在實際應用中，大絲束與小絲束碳纖維用于纏繞工藝成型制品，各有優缺點。大絲束用 于纏繞最大的優點在于可以大幅度提高制品的生產效率，降低綜合制造成本；其缺點主要 是由于絲束較大在采用纏繞工藝制造復合材料時存在浸膠效果差、張力施加困難等諸多問 題。目前，小絲束碳纖維由于工藝性能好、使用經驗豐富等特點，而被廣泛用于碳纖維 纏繞制品的制造。與此相反，大絲束碳纖維由于絲束較大，工藝性能較差，如在濕法纏繞過 程中經常出現浸膠困難、膠含量不均勻、張力施加困難等問題，嚴重限制了大絲束碳纖維的 推廣應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高效的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法。本發明的目的通過提供以下技術方案來實現—種使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于選用粘度在 3000mPa-s 13000mPa · s之間的環氧樹脂作為樹脂基體，在纏繞過程中，樹脂基體的溫度 控制在25攝氏度至70攝氏度，大絲束碳纖維的張力控制在50N至100N每股，纏繞線速度 大于60米每分鐘；繼而將纏繞完畢的壓力容器固化。進一步地，在纏繞過程中，縱向展紗與橫向展紗交錯，展紗寬度為10毫米每股至20毫米每股。進一步地，在纏繞過程中，所述大絲束碳纖維在帶膠液的膠輥表面過膠。進一步地，所述樹脂基體的粘度在4000mPa · s至7000mPa · s之間，在纏繞過程中 所述樹脂基體的溫度控制在40攝氏度至65攝氏度。進一步地，所述樹脂基體和碳纖維的重量配比在35/65至32/68之間。進一步地，選用40K至50K的大絲束碳纖維制造壓力容器。進一步地，所述壓力容器的固化過程包括三個步驟，第一，將纏繞完成的大絲束碳 纖維材料壓力容器放置在室溫下；第二，將大絲束碳纖維材料壓力容器放入升溫的固化爐 固化；第三，進一步升高固化爐溫度以充分固化大絲束碳纖維材料壓力容器。進一步地，在第一步驟中，將纏繞完成的大絲束碳纖維材料壓力容器放置在室溫 下12至24小時；在第二步驟中，在120攝氏度至150攝氏度溫度下固化6至8小時。進一步地，上述使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法適用于纏繞各種管道、航 空航天涉及的回轉成形制品、球形以及異型的復合材料制品、高壓復合材料壓力容器。本發明的有益效果主要體現在解決了大絲束碳纖維在纏繞工藝中遇到的浸膠工 藝、纏繞速度、纖維張力以及纖維展紗寬度諸多難點問題，將其成功的應用于復合材料纏繞 制品_壓力容器的制造，實現大絲束碳纖維的高效生產，降低復合材料制品的成本。本發明涉及的大絲束纏繞碳纖維纏繞復合材料制品具有重量輕、強度高、價格低 廉和生產效率高的特點，其典型代表產品通過了國際最高標準的各項性能測試，其結果完 全滿足標準要求。本發明涉及大絲束纏繞碳纖維纏繞工藝技術的典型代表產品_復合材料 壓力容器可以用于充裝高壓氣體、高壓液體等介質。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明圖1 本發明的具體實施例的最終產品示意圖。圖中各附圖標記的含義見下表
具體實施例方式本發明的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法涉及纏繞技術的樹脂體系、纏繞 工藝參數以及固化工藝參數。壓力容器，即纖維纏繞復合材料制品一般有兩種纏繞方式，一種為單純的環向纏 繞，即纖維的取向為纏繞制品的環向，與纏繞制品的軸線呈90°角度，這是一種常規的纏繞 方式，主要用于纏繞管道等制品。一種為從0°到90°的多角度全纏繞，纏繞過程中角度發 生變化，一般用于比較復雜的航空航天制品、壓力容器制品等。這兩種方式均可使用本發明的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法。為了使產品具有典型性，專利實施選擇了使用 多角度纏繞的車用鋁內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶。這類產品與傳統的纖維纏繞制品相比較， 具有幾個顯著的特點壓力容器對安全可靠性要求極高，對工藝實施的技術要求較高，對纖 維的張力、纏繞速度、樹脂/纖維的比例等參數都相當嚴格，因此本專利的具體實施例選擇 了這類纏繞制品作為代表。復合材料壓力容器一般采用纖維纏繞工藝成型，即先將連續纖維浸漬膠液，通過 特殊的纏繞設備，在內膽上進行縱向和環向纏繞，然后經固化成型。以下具體描述制造大絲束碳纖維纏繞復合材料壓力容器的大絲束碳纖維纏繞系 統。該大絲束纖維纏繞系統可以分為四個區域，即干紗區域、浸膠區域、纖維傳遞區域 和繞絲頭區域。為了適應大絲束碳纖維的纏繞，對每個區域均進行了改造。干紗區域為紗束浸漬膠液以前的區域。對于較難浸膠的大絲束碳纖維，在該區域 應盡量保證紗束的平整、舒展和松散。此外應注意防止干紗產生折斷、起毛等缺陷，而影響 纖維性能的發揮。在該區域設備中，采用了導向環，展紗棒等裝置，使纖維紗能夠平整均勻 的進入浸膠區域。浸膠區域是指纖維紗束浸漬膠液的區域。大絲束碳纖維浸漬膠液采用印膠方式， 即纖維紗從膠輥的上部通過，帶走表面的膠液。該區域由膠輥、刮刀、溫控系統組成。膠輥 在旋轉過程中帶起膠液，供纖維紗上膠。刮刀控制膠液含量大小，是保證纖維樹脂含量的重 要裝置。溫控系統由水浴加熱套控制膠液溫度。纖維傳遞區域是指纖維通過浸膠機構后到繞絲頭區域。該區域應盡量保持纖維紗 的平整，防止紗片打捻。纖維傳遞區域通常采用豎直棒來實現紗片的水平和豎直的轉換。繞絲頭區域，繞絲頭是纖維紗的出紗機構，纖維紗通過繞絲頭后按照規定的路徑 纏繞到芯模上。為了確保紗束平展的鋪覆到芯模上，繞絲頭中設置了依次展紗棒、月牙形棒 和平輥，紗束穿過月牙形棒。纏繞過程中，線速度為60m/min，紗團數量為2團，纖維展紗寬度為IOmm/股，張力 為5kg/股。通過該系統制備的大絲束碳纖維纏繞復合材料壓力容器，其樹脂重量含量 30 士 3 %，纖維強度發揮率大于85 %。下面詳細描述本發明的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法中涉及到的具體 工藝，主要包括樹脂基體選擇、纏繞工藝參數調整、成型工藝優化等方面。首先是樹脂基體的選擇。樹脂基體的種類和粘度是影響纖維浸漬膠液的關鍵因素。其選擇依據與纖維型號 密切相關，傳統的小絲束專用的樹脂體系，已不能直接用于大絲束纖維的纏繞。本發明的 具體實施例采用低粘度環氧樹脂作為大絲束碳纖維的基體材料，該樹脂體系的粘度范圍為 3000mPa · s 13000mPa · s，優選的在4000mPa · s 7000mPa · s之間。試驗證明在該粘度 范圍內能夠滿足大絲束碳纖維快速纏繞的需要。同時，樹脂粘度與溫度有直接關系，因此， 如下所述的，在纏繞過程中應將膠液溫度控制在25 70°C范圍內，優選的，在40 65°C范 圍內。第二是纏繞參數要求。本發明的纏繞工藝參數包括浸膠參數、展紗寬度、纏繞線速度、強度利用率、樹脂/纖維比例以及大絲束碳纖維展紗工藝。纏繞張力控制普通小絲束碳纖維在纏繞過程中，其張力大小可以根據絲束的大小進行適當比例 的調整，大絲束碳纖維由于絲束的大小是傳統絲束的2-4倍甚至以上，其張力大小已經不 能根據絲束的大小進行比例調整。本專利經過試驗研究，證明40K 50K的碳纖維可以把 纏繞過程中的張力控制在50 100N/股，具體的張力大小調整要根據產品的長徑比以及產 品的直徑大小。纏繞樹脂/纖維的比例要保證制品的理化性能、最佳的重量以及較好的外觀，需要對樹脂/纖維的比例 進行最佳配比。樹脂含量過低，導致纖維的浸膠效果不佳，強度發揮不利，同時制品的成本 上升(樹脂的價格僅為纖維價格的十分之一)；外觀效果不好。相反，樹脂含量過高，制品 的強度難以保證。本專利經過研究表明，樹脂/纖維的重量配比在35/65 32/68范圍內 最佳，其調整范圍根據制品的復合材料厚度、制品的大小進行調整。纏繞纖維線速度小絲束碳纖維的纏繞線速度一般都低于30m/min，原因在于其纖維束展紗的寬度 以及纖維直徑均區別于大絲束碳纖維，以及設備針對小絲束的裝置發生變化，傳統的纏繞 線速度一方面滿足不了大絲束纏繞的需求。大絲束碳纖維的直徑一般大于7um，小絲束碳 纖維的直徑一般在5-6um，快速纏繞導致纖維斷裂。通過對大絲束碳纖維的研究證明，大絲 束碳纖維在纏繞過程中，通過調整合適的浸膠時間以及確保完全浸膠，可以最終實現大于 60m/min的纏繞線速度。纏繞纖維展紗寬度展紗寬度是保證纖維纏繞效果重要參數之一。展紗工藝是大絲束碳纖維的關鍵技 術之一，一方面要確保大絲束的纖維展開后獲得小絲束纖維同樣的浸膠效果，另外一方面 是提高纏繞效率的重要指標，防止纖維在纏繞過程中發生堆積。傳統的小絲束12K碳纖維 的展紗寬度基本控制在3 5mm/股，但是對于大絲束而言，展紗寬度非常重要，防止過寬， 纖維與制品的環向角度過大，纖維強度損失較大，在纏繞過程中容易發生滑線，中止作業， 或是調低線速度以防滑線。一般40 50K的絲束，展紗寬度基本控制10 20mm/股，根據 制品的直徑或是長徑比大小進行適當調整。纏繞浸膠大絲束的關鍵之一還在于浸膠。纖維絲束越大，浸膠越難。因此選擇合適的浸膠 長度、浸膠時間以及纖維浸膠方式都是大絲束碳纖維的浸膠關鍵。經過研究證明，大絲束碳 纖維浸膠需要采用纖維在帶膠液的膠輥表面過膠的方式進行浸膠，一方面可以防止碳纖維 的含膠量過高，還可以通過裝置控制膠液在膠輥表面的數量，從而精確控制纖維的含膠量。 為了適應高速的纏繞工藝要求，還需要采取其他方式使浸膠后的碳纖維充分展開，使得膠 液從內到外與每一根纖維浸潤，確保纖維的浸潤效果，保證纖維的強度利用率。通過一定的 方式，確保纖維到達制品表面之前，有足夠的浸膠時間，使得膠液的浸潤效果復合固化工藝 的要求。一般浸膠要求膠液在制品表面沒有流膠現象，手接觸不沾手為最佳效果。第三是固化工藝控制。以下詳述大絲束碳纖維纏繞系統制備的大絲束碳纖維纏繞 復合材料壓力容器的固化工藝。
大絲束碳纖維纏繞復合材料壓力容器的固化工藝與小絲束不同，除了要保證樹脂 能夠完全固化外，還應該保證樹脂凝膠前能夠完全浸潤纖維。本發明的具體實施方式
將大 絲束碳纖維纏繞制品的固化過程分三個階段進行。首先，將纏繞完成的容器在室溫下一定 時間，按照厚度不同通常放置12小時 24小時進行凝膠固化，以便纖維進一步浸潤。然 后，放入固化爐在120 150°C的溫度下固化6 8小時。該階段的主要作用是，樹脂在較 高溫度下粘度變小，使纖維充分浸潤樹脂。第三階段是升高到更高溫度，使樹脂充分固化。 在溫度低于80°C條件下從固化爐取出。通過上述工藝措施的實施，基本解決了大絲束碳纖維纏繞復合材料壓力容器的關 鍵技術問題。制備得到的容器工作壓力為35MPa，容積/重量比達到0. 5，與采用小絲束碳 纖維相比，成本可降低20%左右，生產一只容器約300分鐘，可節省時間30%左右。其具有 生產效率高、成本低、市場競爭力強的特點，使得制造低成本、高效率的大絲束碳纖維復合 材料壓力容器成為可能。圖1為本發明的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法制造的一種具體產品。該產品具體為大絲束碳纖維纏繞155L高壓容器，用于充裝壓縮天然氣。其由內外 雙層結構組成，即內膽層1和復合材料層2。內層的內膽層1主要起氣密作用，采用鋁合金 內襯；外層的復合材料2是容器的強度層，承擔絕大部分的內壓載荷。復合材料層采用美國 Zoltek公司生產的50K大絲束碳纖維浸漬環氧樹脂成型。內襯外徑389mm，制品碳纖維復 合材料厚度12mm。纏繞過程中，線速度為60m/min，紗團數量為2團，纖維展紗寬度為IOmm/ 股，張力為5kg/股。纏繞基體材料采用美國殼牌公司的EP0N828型環氧樹脂。制品具有生產效率高、成本低、市場競爭力強的特點。容器各項試驗指標均達到了 相關國際標準要求。車用鋁內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶的相關指標如下 本發明的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法既可以用于環向纏繞，又可以用 于全纏繞的復合材料制品，可以用于纏繞各類管道、航空航天涉及的回轉成形制品、球形以 及異型的復合材料制品、高壓復合材料壓力容器。以上實施例，并非對本發明組合物的限制，故凡依本發明之原理、技術實質、構造、 形狀所做的等效變化、細微修改與修飾，均仍屬于本發明的保護范圍內。
權利要求
一種使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于選用粘度在3000mPa·s～13000mPa·s之間的環氧樹脂作為樹脂基體，在纏繞過程中，樹脂基體的溫度控制在25攝氏度至70攝氏度，大絲束碳纖維的張力控制在50N至100N每股，纏繞線速度大于60米每分鐘；進而將所述纏繞完畢后的壓力容器固化。
2.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于在纏 繞過程中，縱向展紗與橫向展紗交錯，展紗寬度為10毫米每股至20毫米每股。
3.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于在纏 繞過程中，所述大絲束碳纖維在帶膠液的膠輥表面過膠。
4.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于所述 樹脂基體的粘度在4000mPa · s至7000mPa · s之間，在纏繞過程中所述樹脂基體的溫度控 制在40攝氏度至65攝氏度。
5.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于所述 樹脂基體和碳纖維的重量配比在35/65至32/68之間。
6.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于選用 40K至50K的大絲束碳纖維制造壓力容器。
7.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于所述 壓力容器的固化過程包括三個步驟，第一，將纏繞完成的大絲束碳纖維材料壓力容器放置在室溫下；第二，將大絲束碳纖維材料壓力容器放入升溫的固化爐固化；第三，進一步升高固化爐溫度以充分固化大絲束碳纖維材料壓力容器。
8.根據權利要求7中所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于在 第一步驟中，將纏繞完成的大絲束碳纖維材料壓力容器放置在室溫下12至24小時；在第二 步驟中，在120攝氏度至150攝氏度溫度下固化6至8小時。
9.根據權利要求1所述的使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其特征在于適用 于纏繞管道、航空航天涉及的回轉成形制品、球形以及異型的復合材料制品、高壓復合材料 壓力容器。
全文摘要
本發明提供了一種使用大絲束碳纖維制造壓力容器的方法，其中選用粘度在3000mPa·s～13000mPa·s之間的環氧樹脂作為樹脂基體，在纏繞過程中，樹脂基體的溫度控制在25攝氏度至70攝氏度大絲束碳纖維的張力控制在50N至100N每股，線速度大于60米每分鐘。本發明解決了大絲束碳纖維在纏繞工藝中遇到的浸膠工藝、纏繞速度、纖維張力以及纖維展紗寬度諸多難點問題，將其成功地應用于復合材料纏繞制品-壓力容器的制造，實現大絲束碳纖維的高效生產，降低復合材料制品的成本。
文檔編號B29C53/56GK101905532SQ20101021009
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者匡歡, 吉增香, 吳鋒, 李歡歡, 肖文剛, 袁卓偉, 趙明敏 申請人:中材科技(蘇州)有限公司