一种无内衬深冷高压储氢气瓶及制备方法技术

本发明专利技术属于高压容器制造技术领域，具体为一种无内衬深冷高压储氢气瓶及制备方法，其中无内衬深冷高压储氢气瓶包括瓶身及设置在瓶身上的接头，所述瓶身由内而外包括混合阻气层和碳纤维环绕层，所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。本发明专利技术通过将阻气膜充分覆盖在碳纤维束层间，通过高温高压，使阻气膜熔融并渗透入碳纤维束间，形成包裹碳纤维束的交联网络结构。聚合物阻气材料在加热加压熔融到重新冷却固化的过程中，晶体重新成型，由片晶形成球晶，球晶直径约10微米，球晶大量无规则堆积，阻碍氢气扩散，聚合物阻隔气体能力增强。聚合物阻隔气体能力增强。聚合物阻隔气体能力增强。

【技术实现步骤摘要】
一种无内衬深冷高压储氢气瓶及制备方法


[0001]本专利技术属于高压容器制造
，具体涉及一种无内衬深冷高压储氢气瓶阻气复合材料层制备方法。

技术介绍

[0002]氢能作为可再生清洁能源，对构建低碳高效的现代能源体系，实现环境发展目标具有重要意义。氢能对于减少碳排放和推动新能源革命进程至关重要。储氢是整个氢能产业链中急需突破的重要环节，为了满足中型和重型卡车对高密度、大容量的储能要求，需要一种储氢效率更高的车载储氢技术和装备，与压缩气态氢(GcH2)和液态氢(LH2)存储方法相比，深冷高压(CcH2)在存储密度和休眠时间两个方面表现出更好的性能。
[0003]深冷高压储氢是指利用绝热、耐压气瓶将氢以超临界态储存在低温(20
‑
50K)、高压(35MPa)复合工况下，与车载液氢相比，具有无损维持时间长、加注速度快、耐压性能高等显著优势，能够解决目前车载液氢研究面临的漏热蒸发率高、加注损耗大、供氢压力低等难点。
[0004]但是，在深冷、高压两种极端工况的共同作用，传统的塑料内衬缠绕碳纤维方法制备的IV型瓶常常出现内衬塌陷和复合材料横向开裂的问题。而无内衬的V型瓶的则能够有效解决上述问题。但是，在去除内衬后，如何保障气瓶的阻气性能成为难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题：本专利技术提供一种提高阻气性能的无内衬深冷高压储氢气及制备方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]本专利技术首先提供一种无内衬深冷高压储氢气瓶，包括瓶身及设置在瓶身上的接头，所述瓶身由内而外包括混合阻气层和碳纤维环绕层，所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。
[0008]所述阻气层的成型方法为：
[0009]将碳纤维束层与阻气材料层交替包覆缠绕成多层结构后进行加热加压；加热加压处理使阻气材料层熔融并渗透碳纤维束层的纤维束之间，阻气材料熔融冷却后形成包裹纤维束的交联网络结构，并且在冷却过程中形成球晶；
[0010]对交联网络结构中的纤维束进行树脂渗透，使树脂与纤维丝及阻气材料相连。
[0011]本专利技术还提供一种无内衬深冷高压储氢气瓶的制备方法，包括：
[0012]在与储氢气瓶内壁相适配的模具上缠绕浸润改性树脂的碳纤维束，缠绕的碳纤维束完全包裹模具，形成初始缠绕层；
[0013]对初始缠绕层进行固化；
[0014]在固化的初始缠绕层外依次交替缠绕未浸润改性树脂的碳纤维丝束层和阻气材
料层；
[0015]对交替缠绕碳纤维束层和阻气材料层后的模具进行加热，使阻气材料熔融成包裹碳纤维束的交联网络结构；
[0016]对交联网络结构中的碳纤维束浸润改性树脂，通过树脂加强阻气材料与碳纤维丝的连接强度；
[0017]在模具两端添加接头，并继续进行浸润改性树脂的碳纤维束缠绕，固化形成碳纤维环绕层；
[0018]融化模具，得到固化后的储氢气瓶。
[0019]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0020]本专利技术通过将聚乙烯膜充分覆盖在碳纤维束层间，通过高温高压，在纤维束缠绕预紧力作用下，使聚乙烯膜熔融并渗透入碳纤维束间，形成包裹碳纤维束的交联网络结构，阻气材料间相互连结，阻气材料与碳纤维层间有较高的连接强度。聚合物阻气材料在加热加压熔融到重新冷却固化的过程中，晶体重新成型，由片晶形成球晶，球晶直径约10微米，球晶大量无规则堆积，阻碍氢气扩散，聚合物阻隔气体能力增强。
附图说明
[0021]图1为本专利技术无内衬深冷高压储氢气瓶的剖面结构示意图；
[0022]图2为本专利技术中无内衬深冷高压储氢气瓶复合材料层结构的阻气层微观结构示意图；
[0023]图3本专利技术制备流程图。
具体实施方式
[0024]为了加深本专利技术的理解，下面我们将对本专利技术作进一步详述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。
[0025]如图1所示，本实施例提供一种基于阻气复合材料的无内衬深冷高压储氢气瓶，包括瓶体以及设置在瓶体上的接头3。瓶体由复合材料层构成，复合材料层由内而外包括混合阻气层1和碳纤维环绕层2。碳纤维环绕层2包括内部环向缠绕层21、螺旋缠绕层22和外部环向缠绕层23；混合阻气层1由初始缠绕层11和阻气层12组成，阻气层12由未浸润改性树脂的碳纤维束层和阻气材料交替包覆缠绕并熔融固化后浸润改性树脂而成，阻气材料熔融过程中充分渗透至碳纤维层中，交错成为交联网络结构，形成机械互锁。
[0026]初始缠绕层11由浸润改性树脂的碳纤维沿瓶身圆周方向的环向缠绕而成，初始碳纤维束层的纤维层数一般不少于总层数的1/20，且不少于3层，若总层数较少时，可取3层。
[0027]阻气层12初始状态未为多层结构，由碳纤维束层与阻气材料交替包覆缠绕，顺序为碳纤维束层、阻气材料、碳纤维束层。阻气材料铺设多层，各层之间在加热后相互交联，形成交联网络结构。阻气层12形成过程中阻气材料充分覆盖在碳纤维层的纤维束间，通过高温与加压，在纤维缠绕预紧力作用下，使阻气膜熔融形成整体，并与碳纤维层充分接触并渗透入碳纤维束间，形成包裹纤维束的交联网络结构，阻气材料间相互连结，加强连接强度。
[0028]阻气材料选取具有阻隔氢气的聚合物薄膜，优先选取聚乙烯膜作为阻气膜，阻气膜厚度一般为0.05
‑
0.3mm；阻气材料常温下为片晶结构，在高温加压后熔融流动，然后随炉
加压冷却，冷却成型后即可在阻气材料内部形成球晶结构，球晶和聚合物基体之间通过片晶或者高分子链连接，球晶大量无规则堆叠在阻气材料之间，提高材料阻气性能。采用压差法气体渗透仪(C101B型号，济南兰光机电技术有限公司)对材料透气性进行测试，与具有片晶结构的聚乙烯阻气膜相比，具有球晶结构的聚乙烯阻气膜的气体渗透系数从5.75
×
10e(
‑
15)mol/m
·
s
·
Pa下降到1.44
×
10e(
‑
15)mol/m
·
s
·
Pa，阻气性能大幅提高；当具有球晶结构的阻气膜添加层数由1层增加到3层，复合材料气体渗透系数从1.44
×
10e(
‑
15)mol/m
·
s
·
Pa下降到1
×
10e(
‑
15)mol/m
·
s
·
Pa。采用电子万能试验机(UTM5305型号，三思纵横科技股份有限公司)对深冷环境下粘合力进行测试，结构表面，与直接铺设阻气层不形成交联网络结构相比，具有交联网络结构的复合材料的层间粘合力由4814.94N提高到6226.43N。
[0029]阻气层12包覆在初始缠绕层外，在初始缠绕层外均匀缠绕未浸润改性树脂的碳纤维丝，在未浸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无内衬深冷高压储氢气瓶，包括瓶身及设置在瓶身上的接头(3)，所述瓶身由内而外包括混合阻气层(1)和碳纤维环绕层(2)，其特征在于：所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。2.根据权利要求1所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述阻气层的成型方法为：将碳纤维束层与阻气材料交替包覆缠绕成多层结构后进行加热加压；加热加压处理使阻气材料熔融并渗透碳纤维束层的纤维束之间；阻气材料在冷却过程中形成球晶，并在熔融冷却后形成包裹纤维束的交联网络结构；对交联网络结构中的纤维束进行树脂渗透，使树脂与纤维丝及阻气材料相连。3.根据权利要求2所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述混合阻气层还包括初始缠绕层(11)，所述阻气层成型在所述初始缠绕层(11)上。4.根据权利要求3所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述初始缠绕层(11)由浸润改性树脂的碳纤维束沿瓶身圆周方向环向缠绕而成。5.根据权利要求3所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述碳纤维环绕层(2)包括内部环向缠绕层(21)、螺旋缠绕层(22)和外部环向缠绕层(23)。6.根据权利要求5所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述螺旋缠绕层(22)为浸润改性树脂的碳纤维束采用多角度螺旋缠绕结构缠绕固化而成；所述内部环向缠绕层(21)和外部环向缠绕层(23)为浸润改性树脂的碳纤维束采用环向缠绕结构缠绕固化而成；所述阻气层中碳纤维束采用纵向缠绕结构缠绕而成。7.根据权利要求5所述的无内衬深冷高...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪中华，周炜浩，张加俏，严岩，雷林，张帆远航，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：