[发明专利]一种聚酰亚胺纤维复合材料气瓶及其制备方法和应用

说明书

本发明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。本发明制得的气瓶强度、韧性和耐冲击性较高。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明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，本发明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。