一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及复合材料压力容器领域，具体地，涉及一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用。本发明专利技术涉及一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶，该气瓶包括内胆和缠绕在所述内胆外表面的聚酰亚胺纤维缠绕层，所述聚酰亚胺纤维缠绕层含有树脂基体和分散在所述树脂基体中的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维由联苯型聚酰亚胺形成。还涉及制备聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶的方法。还涉及聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶用于呼吸用储氧气瓶、潜水用氧气瓶或高原用氧气瓶的应用。本发明专利技术制得的气瓶强度、韧性和耐冲击性较高。

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用
本专利技术涉及复合材料压力容器领域，具体地，涉及一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用。
技术介绍
复合材料压力容器的研究始于上世纪50年代，主要用于航空航天领域中的燃料气体储罐或压力源。由于其具有比传统金属材料压力容器更高的工作压力、更好的安全性和更低的重量，在气体储存和运输过程中具有至关重要的作用。尤其是近年来，随着高性能纤维技术的快速发展，由金属内衬和玻璃纤维或碳纤维缠绕组成的复合材料气瓶在压缩天然气、呼吸用氧气、飞机滑梯充气等民用领域得到了广泛的应用。在呼吸器用纤维缠绕复合气瓶的发展过程中，早期采用的是铝合金内胆、外层由玻璃纤维或芳纶纤维增强环氧树脂缠绕成型，主要用于消防呼吸气瓶或家用氧气治疗气瓶。针对呼吸气瓶的研制和生产，美国压缩气体协会分别于1970年和1982年推出了《FRP纤维增强3FC型复合材料气瓶基本要求》和《FRP纤维增强3HW型复合材料气瓶的基本要求》。标准中要求气瓶的容积范围小于等于90.7L，工作压力范围在6.2-34.5MPa之间。为进一步提高气瓶的质量、并在同等体积条件下降低气瓶的重量，1994年，欧洲率先开发出了铝合金内胆、碳纤维缠绕的复合材料气瓶，该气瓶只有相同容积铝气瓶或钢气瓶重量的34％，较玻璃纤维缠绕气瓶重量减轻15-30％。由于呼吸用复合材料气瓶与燃料气瓶不同，使用频率和使用环境相对复杂，对气瓶的保护措施也相对简单，要求气瓶具有更高的安全性和耐冲击性能，防止气瓶因跌落或磕碰造成较大的强度损失而导致失效或爆裂。而碳纤维材料虽然具有高强度、高模量的性能特点，但其刚性高、脆性较大，制备的复合材料韧性不佳，耐冲击性能较差，因此通常情况下呼吸用碳纤维复合材料气瓶的外表面需要缠绕玻璃纤维复合材料进行保护。因此，现在急需一种强度、韧性和耐冲击性等均较优异的新型复合材料气瓶及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中复合材料气瓶强度、韧性和耐冲击性较差的缺陷，提供一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用。因此，为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶，该气瓶包括内胆和缠绕在所述内胆外表面的聚酰亚胺纤维缠绕层，所述聚酰亚胺纤维缠绕层含有树脂基体和分散在所述树脂基体中的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维由联苯型聚酰亚胺形成。第二方面，本专利技术提供了一种制备上述聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶的方法，该方法包括：(1)将聚酰亚胺纤维浸渍于树脂溶液中，得到聚酰亚胺纤维预浸料，所述树脂溶液用于形成树脂基体；(2)将步骤(1)得到的聚酰亚胺纤维预浸料缠绕在内胆外表面，纤维缠绕的角度为8-12°，缠绕层数大于20层，缠绕层厚度为0.5-3mm；(3)将步骤(2)得到的气瓶进行加热固化。第三方面，本专利技术提供了上述聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶用于呼吸用储氧气瓶、潜水用氧气瓶或高原用氧气瓶的应用。本专利技术中，高韧性聚酰亚胺纤维缠绕制得的复合材料气瓶，能够很好地避免芳纶纤维因吸水率较高和紫外老化造成的强度下降问题，还具有比碳纤维复合材料更低的密度以及更好的韧性和耐冲击性能，有效解决了碳纤维缠绕气瓶外层需要继续缠绕玻璃纤维作为保护层的问题，简化生产工艺的同时进一步降低了产品重量。同等体积和工作压力的条件下，采用聚酰亚胺纤维制备的复合材料气瓶较碳纤维复合材料气瓶的重量降低了约10％。总之，本专利技术制得的聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶具有较高的强度、韧性和耐冲击性，且重量较轻。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供了一种聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶，该气瓶包括内胆和缠绕在所述内胆外表面的聚酰亚胺纤维缠绕层，所述聚酰亚胺纤维缠绕层含有树脂基体和分散在所述树脂基体中的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维由联苯型聚酰亚胺形成。根据本专利技术所述的气瓶，聚酰亚胺纤维可以为本领域各种聚酰亚胺纤维，优选地，所述聚酰亚胺纤维的拉伸强度为2.5-4GPa，更优选为2.8-3.2GPa。优选地，所述聚酰亚胺纤维的拉伸模量为80-150GPa，更优选为80-120GPa。优选地，所述聚酰亚胺纤维的断裂伸长率大于2.5％，更优选大于3％，从而能够进一步提高制得复合材料气瓶的韧性。优选地，所述聚酰亚胺纤维的玻璃化温度大于300℃，从而能够有效保证制得的复合材料气瓶的耐高温性能。优选地，所述聚酰亚胺纤维的5wt％热分解温度大于500℃，从而能够有效保证制得的复合材料气瓶的耐高温性能。优选地，所述聚酰亚胺纤维的单丝直径为5-15μm，更优选为5-8μm，从而能够进一步提高制得的复合材料气瓶的抗冲击性能。优选地，所述聚酰亚胺纤维的丝束线密度为500-1500D，更优选为800-1000D，以更好地满足现有的制备工艺要求。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述聚酰亚胺纤维为分子链内含有醚键、硫醚键或酮键等柔性基团的高韧性聚酰亚胺纤维。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述聚酰亚胺纤维的拉伸强度为2.8-3.2GPa；所述聚酰亚胺纤维的拉伸模量为80-120GPa；所述聚酰亚胺纤维的断裂伸长率大于3％；所述聚酰亚胺纤维的玻璃化温度大于300℃；所述聚酰亚胺纤维的5wt％热分解温度大于500℃；所述聚酰亚胺纤维的单丝直径为5-8μm；所述聚酰亚胺纤维的丝束线密度为800-1000D，从而能够更进一步提高制得复合材料气瓶的韧性、耐高温性能和耐冲击性能。根据本专利技术所述的气瓶，高强联苯型聚酰亚胺纤维(拉伸强度大于3GPa)是近年来由我国率先开发出并实现工业化生产的高性能有机纤维，其具有高强度、高模量、耐高低温、耐紫外老化、低吸水率、低密度等优异的性能特点。更优选地，联苯型聚酰亚胺由第一芳香族二元酐、第二芳香族二元酐、第一芳香族二元胺和第二芳香族二元胺合成，所述第一芳香族二元酐不含醚键和硫醚键，所述第二芳香族二元酐的分子中含有醚键和硫醚键中的至少一种；所述第一芳香族二元胺不含醚键、硫醚键和酮键，所述第二芳香族二元胺的分子中含有醚键、硫醚键和酮键中的至少一种；因此，当合成所用的单体含有醚键、硫醚键或酮键时，能够通过向刚性的聚酰亚胺分子链中引入醚键、硫醚键、酮基等柔性基团来调节分子链的柔性，当纤维受外力作用时，分子链能够通过键角的调节和螺旋链的螺距的改变来实现应变的增长，从而赋予纤维较高的伸长率和柔韧性，进一步提高制得复合材料气瓶的韧性和耐冲击性能。另外，采用分子链内含有醚键、硫醚键或酮键等柔性基团的高韧性聚酰亚胺纤维缠绕制备复合材料气瓶，能够很好地避免芳纶纤维因吸水率较高和紫外老化造成的强度下降问题。进一步优选地，以第一芳香族二元酐和第二芳香族二元酐的总摩尔数为基准，所述第一芳香族二元酐的含量为70-90mol％，所述第二芳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，该气瓶包括内胆和缠绕在所述内胆外表面的聚酰亚胺纤维缠绕层，所述聚酰亚胺纤维缠绕层含有树脂基体和分散在所述树脂基体中的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维由联苯型聚酰亚胺形成。

【技术特征摘要】
1.一种聚酰亚胺纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，该气瓶包括内胆和缠绕在所述内胆外表面的聚酰亚胺纤维缠绕层，所述聚酰亚胺纤维缠绕层含有树脂基体和分散在所述树脂基体中的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维由联苯型聚酰亚胺形成。2.根据权利要求1所述的气瓶，其中，所述聚酰亚胺纤维的拉伸强度为2.5-4GPa，优选为2.8-3.2GPa；所述聚酰亚胺纤维的拉伸模量为80-150GPa，优选为80-120GPa；所述聚酰亚胺纤维的断裂伸长率大于2.5％，优选大于3％；所述聚酰亚胺纤维的玻璃化温度大于300℃；所述聚酰亚胺纤维的5wt％热分解温度大于500℃；所述聚酰亚胺纤维的单丝直径为5-15μm，优选为5-8μm；所述聚酰亚胺纤维的丝束线密度为500-1500D，优选为800-1000D。3.根据权利要求1或2所述的气瓶，其中，联苯型聚酰亚胺由第一芳香族二元酐、第二芳香族二元酐、第一芳香族二元胺和第二芳香族二元胺合成，所述第一芳香族二元酐不含醚键和硫醚键，所述第二芳香族二元酐的分子中含有醚键和硫醚键中的至少一种；所述第一芳香族二元胺不含醚键、硫醚键和酮键，所述第二芳香族二元胺的分子中含有醚键、硫醚键和酮键中的至少一种，以第一芳香族二元酐和第二芳香族二元酐的总摩尔数为基准，所述第一芳香族二元酐的含量为70-90mol％，所述第二芳香族二元酐的含量为10-30mol％，以第一芳香族二元胺和第二芳香族二元胺的总摩尔数为基准，所述第一芳香族二元胺的含量为70-90mol％，所述第二芳香族二元胺的含量为10-30mol％；优选地，所述第一芳香族二元酐为3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐，所述第一芳香族二元胺为对苯二胺，所述第二芳香族二元酐为4,4’-对苯二氧双邻苯二甲酸酐和/或3,3’,4,4’-二苯硫醚四酸二酐，所述第二芳香族二元胺为4,4’-二(4-氨基苯氧基)联苯、4,4’-二氨基二苯硫醚、3,3’-二氨基二苯甲酮和1,4-亚苯基二[[4-(4-氨基苯氧基)苯基]甲酮]中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的气瓶，其中，以聚酰亚胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：武德珍，田国峰，牛鸿庆，韩恩林，
申请(专利权)人：江苏先诺新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32