[发明专利]一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺，复合气瓶用于在高压状态下储存各类压缩气体。

背景技术

玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。类似于玻璃纤维，其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间。玄武岩纤维具有较高的拉伸强度，比碳纤维略低，但高于一般玻璃纤维和芳纶纤维，是理想的增强材料。由于它的造价与E-玻璃纤维相当，比S-玻璃纤维和AR-玻璃纤维低得多，其主要性能指标却优于传统的硅-铝玻璃纤维，甚至接近于价格较贵的硅酸铝纤维。玄武岩纤维与E-玻璃纤维相比具有更加稳定的化学性能。重要的是玄武岩纤维具有较高的抗碱液腐蚀性，这就大大提高玄武岩纤维使用的可靠性和使用效率。玄武岩纤维的吸水性低，其吸水系数小于1%，而玻璃纤维等材料吸水系数为10%～20%。而且吸湿能力不随时间变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性、长寿命和环境协调性。

玄武岩纤维的生产工艺及技术不同于玻璃纤维，其主要特点是：玄武岩纤维是采用单组分的纯天然玄武岩矿石进行生产，熔融过程中基本上不添加辅料(除为择优取向需要生产特种玄武岩纤维外)，生产过程低碳环保，玻璃纤维是人工配料。

玄武岩资源无限、成本低廉，使其纤维压力容器制备具有更好的性能价格比。

另外玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与E玻璃纤维相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。

研究表明，无论是对于非表面处理纤维，还是用有机硅处理剂处理过的纤维，玄武岩纤维与环氧树脂的粘合强度都要高于E玻璃纤维与相同环氧基的粘合强度，因此可以用它制作在高压、化学及热应力环境下长期使用的形状复杂的容器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型轻金属内衬玄武岩全缠绕复合气瓶及其制造工艺，使复合气瓶具有尽可能轻的重量，并能够满足代表国际先进水平的气瓶标准ISO11439的要求。

本发明提供的一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶包括：一轻金属内衬；复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层，该玄武岩纤维缠绕层形成于所述轻金属内衬外表面上，且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与所述轻金属内衬紧密地粘结成一体；及，保护胶层，涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层外表面。

其中，所述轻金属内衬是由椭圆曲面尾部、筒体部分、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成，该瓶口内设置内螺纹。

位于所述轻金属内衬的筒体部分上的玄武岩纤维缠绕层部分是由环向缠绕层和螺旋缠绕层按网格理论计算所得厚度交替缠绕而成，位于所述椭圆曲面尾端上的玄武岩纤维缠绕层部分和位于所述椭圆曲面颈部上的玄武岩纤维缠绕层部分均为螺旋缠绕纤维结构。

所述轻金属内衬可以选择铝合金、镁合金或钛合金内衬等。

所述保护胶层为紫外线固化胶层。紫外线固化胶采用双酚 A 环氧二丙烯酸酯，脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯，芳香族聚醚型聚氯酯二丙烯酸酯，脂肪族聚醚型聚氨酯二丙烯酸酯，丙烯酸酯（TPGDA）以及三甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）等有机物中的一种或多种。 

在所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中，玄武岩纤维的体积含量V_f为0.63±0.04。

所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中的玄武岩纤维为用有机硅处理剂处理过的玄武岩纤维。

所述复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料包括以下组分：环氧树脂100重量份，固化剂60-90重量份，促进剂0.2-2重量份以及增韧剂10-30重量份。所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，如E55，E51，E44，E42。所述固化剂为脂肪族酸酐，如四氢苯二甲酸酐，甲基四氢苯二甲酸酐，六氢苯二甲酸酐，甲基六氢苯二甲酸酐。所述促进剂为叔胺类促进剂， 如2，4，6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30），N，N-二甲基苄胺（BDMA），三乙醇胺和二甲基苯胺。所述增韧剂为脂肪族聚酐，如聚癸二酸酐(PSPA)、聚己二酸酐(PAPA)和聚壬二酸酐(PADA)。

上述轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶的制造工艺，包括以下步骤：

S1.以轻金属内衬作为芯模，将玄武岩纤维束合股，直接经环氧树脂胶液浸胶，由纤维缠绕机按网格理论设计的层数、铺层次序将浸胶后的玄武岩纤维全缠绕在该轻金属内衬外表面上形成坯体；