一种聚氨酯高压储气罐内胆及其成型工艺的制作方法

1.本发明属于储气罐领域，具体涉及一种聚氨酯高压储气罐内胆及其成型工艺。


背景技术：

2.现在的高压储气罐内胆一般是铝制内胆，采用无缝铝管高温缩封头，然后热处理，再钻孔的工艺加工而成。铝本身容易产生氢脆，耐压低，重量大，生产工艺复杂。
3.目前，日本有注塑工艺生产高压储气罐内胆，通常采用聚乙烯或尼龙材料，相比于铝制内胆，其具备阻隔性好，重量轻，使用寿命长等优点。为了同时具备高阻隔性和高结构强度，目前通常采用的技术是分体注塑成型，然后胶接成一体的内胆，内胆上有对接缝隙，易产生开裂，影响产品质量和使用寿命。
4.此外，目前此类滚塑一体成型的储气罐内胆通常为两层，由聚乙烯外层与尼龙内层构成；尼龙提供了高阻隔性，交联聚乙烯用于增加脆性尼龙的结构强度。此类储气罐内胆的成型工艺较为复杂，且对温度敏感，聚乙烯与尼龙与两端排气口处的金属接头的粘接度较差，容易粘接不牢；且因材料没有极性，与其外壁缠绕的碳纤维也粘接不牢。
5.现在，生产工艺简单，生产成本低，具备高阻隔性、高耐磨性、高结构强度的单层高压储气罐内胆在市面上尚未出现。


技术实现要素：

6.本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种聚氨酯高压储气罐内胆及其成型工艺，以聚氨酯为材质，获得了一体成型的高压储气罐，可实现对氢气的有效阻隔，并获得高于尼龙和聚乙烯材质的耐磨性、拉伸强度、撕裂强度、减震效果及与金属配件的高粘接性。本发明还提供了上述高压储气罐的成型工艺，使用了滚塑方法，且在滚塑过程中完成聚氨酯的交联反应。
7.具体技术方案如下：
8.本发明的目的之一是提供一种聚氨酯高压储气罐内胆，其为一体成型，且为聚氨酯材质。优选为水性聚氨酯材质。
9.在本发明中，所述的聚氨酯高压储气罐内胆是通过滚塑工艺一体成型的。
10.进一步，上述聚氨酯高压储气罐内胆可阻隔氢气，作为高压储氢罐内胆。
11.本发明通过滚塑工艺获得的一体成型储气瓶内胆，可有效阻隔氢气，适宜作为高压储氢罐内胆；耐磨性、拉伸强度、撕裂强度、减震效果用与金属配件的粘接性均优于尼龙和聚乙烯材质的内胆；且硬度在a85以上时，仍能保持弹性，明显优于尼龙。本发明解决了现有的尼龙内胆脆性大、需要外部附加聚乙烯层来增加结构强度的问题，单层即可同时获得理想的阻隔效果与结构强度。此外，本发明的聚氨酯材质与排气口处的铝合金接头的粘接强度明显优于尼龙和聚乙烯。
12.进一步，所述的聚氨酯高压储气罐内胆的厚度为3-5mm。本发明内胆的厚度小于尼龙内胆的6-8mm。
13.本发明的另一个目的是提供上述聚氨酯高压储气罐内胆的成型工艺。
14.一种聚氨酯高压储气罐内胆的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
15.(1)将聚氨酯合成原料混合；
16.(2)将滚塑设备的高压储气罐内胆成型模具升温至80-120℃，然后将步骤(1)获得的料液注入成型模具；
17.(3)维持步骤(2)的成型模具温度，控制气瓶内胆成型模具沿水平轴与竖直轴同时旋转，沿水平轴的转速为5-50r/min，沿竖直轴的转速为5-50r/min，反应5-10min，然后维持80-120℃继续加热50-90min，再冷却；冷却到常温后，打开成型模具，取下高压储气罐内胆。
18.具体地，步骤(3)中，在模具内旋转5-10min即基本完成交联反应，此时，可使物料在维持原加热温度的模具中继续旋转50-90min，也可将模具停转；或者可将模具取下，使用其他方式加热模具，使其维持80-120℃。具体操作可根据生产情况灵活安排。
19.具体地，关于物料在模具中的成型温度，其与预聚体的组分有关，不构成对本发明工艺的限制。在不影响预聚体正常交联反应的范围内均可实现，对于现有的普通预聚体，优选为80-120℃。
20.本发明通过滚塑法来生产一体成型的聚氨酯高压储气罐内胆，使聚氨酯的快速交联反应产生于注模后的滚塑阶段。
21.需对模具从外部进行加热。当对成型模具进行加热时，成型模具的内壁与内腔之间形成温度差，贴近内壁的料液因温度高快速交联反应并硬化，形成薄层；腔内温度依据温度差从内壁向内逐渐降低，反应速度也逐渐降低，因此，随着成型模具的旋转，硬化层逐渐加厚，直至完全硬化。内胆壁厚的均匀度影响其阻隔性和承压能力，因此反应速度的均衡十分重要。本发明可保证反应速度均衡，形成厚度、质地均匀的内胆层。
22.进一步，步骤(3)中，优选使用热空气对成型模具进行加热。
23.本发明在研发中发现，将成型模具放置于烘箱或烘房内，使用热空气对其进行加热，可使产品获得相比电加热管直接加热更优的参数，尤其获得更优的气压承受能力。其机理应为热空气可形成从外壁到内壁、再到内腔的温度梯度，使温度梯度更加稳定，不易受加热器的恒温加热稳定性影响。当达到额定温度，加热器停止或转为低功率工作时，或再次启动、提高功率时，热空气的温度不会发生骤降，热量从加热器传导到热空气再传导到内胆需要过程。因此，内胆的内壁和内腔的温度更稳定，温度变化速度更慢，温度变化幅度更小。此外，在多组成型模具同时工作的情况下，使用热空气加热能耗更低。
24.进一步，步骤(1)的工作条件为：
25.将聚氨酯预聚体作为a料；将多元醇作为b料；将a料与b料边投料边混合，混合过程中维持在35-50℃，并在35-50℃范围内边搅拌边投料，直至投料结束。
26.再进一步，步骤(1)中，所述的a料与b料在投料前各在35-50℃真空条件放置。优选真空度为-0.1～-0.08mpa(表压)放置30min以上。
27.再进一步，步骤(1)中，所述的多元醇为丁二醇。
28.再进一步，步骤(1)中，a料与b料的质量比为100：(9-30)。
29.进一步，将步骤(3)获得的高压储气罐内胆在60-100℃加热处理2-3h。
30.具体地，可将步骤(3)获得的高压储气罐内胆放置于60-100℃的烘箱，使其进一步加强交联，进一步增加内胆的强度。
31.本发明的有益效果如下：
32.1、本发明仅需厚度为3-5mm的单层聚氨酯即可获得理想的气体阻隔性，尤其对氢气的阻隔性好。
33.2、本发明的耐磨性、拉伸强度、撕裂强度、减震效果及与金属的粘接性均优于尼龙和聚乙烯材质的内胆，具备优秀的气压承受能力，外部缠绕碳纤维的情况下，承压能力可达700kg/cm2；硬度在a85以上仍能保持弹性。
34.3、本发明成型温度低，生产过程控制较容易，避免了普通树脂类内胆成型温度高、热膨胀大、易脆化的问题。
35.4、本发明使用聚氨酯尤其是水性聚氨酯材质，其与模具金属接头和外部缠绕的碳纤维的粘接强度明显优于普通树脂类内胆。
36.5、本发明设备与操作工艺简单且能耗低于现有技术。
37.6、本发明的原材料成本低于现有的树脂类内胆。
具体实施方式
38.以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.具体实施方式可以使用申请公布号为cn109571835a的发明专利申请中公开的高压储氢罐内胆成型设备实现。
40.具体实施方式中使用的聚氨酯预聚体为购买自烟台研创聚氨酯科技有限公司的预聚体373。
41.实施例1
42.以制备储氢罐内胆为例，一种聚氨酯高压储气罐内胆，其成型工艺包括如下步骤：
43.(1)将聚氨酯预聚体作为a料；将丁二醇作为b料；a料与b料的质量比为100：20；将a料、b料分别贮存于真空度为-0.1mpa(表压)的35℃的真空料仓30min以上；将a料与b料边投料边混合，混合过程中维持35℃，并持续搅拌，直至投料结束；
44.(2)将加热高压储气罐内胆成型模具的加热管通电加热，使模具维持在115℃，然后将步骤(1)获得的料液注入成型模具；
45.(3)维持步骤(2)的成型模具温度，控制气瓶内胆成型模具沿水平轴(x轴)与竖直轴(y轴)同时旋转，沿水平轴的转速为5r/min，沿竖直轴的转速为15r/min，反应10min；维持温度继续加热50min，再冷却到常温；打开成型模具，取下高压储气罐内胆；
46.(4)将步骤(3)获得的高压储气罐内胆放置于80℃烘箱内2h。
47.实施例2
48.与实施例1的区别在于，步骤(3)中，不开启电加热管，将压储气罐内胆成型模具置于烘房内，使用115℃的热空气加热；
49.其余技术特征与实施例1相同。
50.实施例3
51.以制备储氢罐内胆为例，一种聚氨酯高压储气罐内胆，其成型工艺包括如下步骤：
52.(1)将聚氨酯预聚体作为a料；将丁二醇作为b料；a料与b料的质量比为100：10；将a料、b料分别贮存于真空度为-0.1mpa(表压)的40℃的真空料仓30min以上；将a料与b料边投
料边混合，混合过程中维持40℃，并持续搅拌，直至投料结束；
53.(2)将加热高压储气罐内胆成型模具的加热管通电加热，使模具维持在115℃，然后将步骤(1)获得的料液注入成型模具；
54.(3)维持步骤(2)的成型模具温度，控制气瓶内胆成型模具沿水平轴(x轴)与竖直轴(y轴)同时旋转，沿水平轴的转速为10r/min，沿竖直轴的转速为30r/min，反应6min；维持温度继续加热80min，再冷却到常温；打开成型模具，取下高压储气罐内胆。
55.(4)将步骤(3)获得的高压储气罐内胆放置于80℃烘箱内2h。
56.实施例4
57.以制备储氢罐内胆为例，一种聚氨酯高压储气罐内胆，其成型工艺包括如下步骤：
58.(1)将聚氨酯预聚体作为a料；将丁二醇作为b料；a料与b料的质量比为100：25；将a料、b料分别贮存于真空度为-0.1mpa(表压)的50℃的真空料仓30min以上；将a料与b料边投料边混合，混合过程中维持50℃，并持续搅拌，直至投料结束；
59.(2)将加热高压储气罐内胆成型模具的加热管通电加热，使模具维持在115℃，然后将步骤(1)获得的料液注入成型模具；
60.(3)维持步骤(2)的成型模具温度，控制气瓶内胆成型模具沿水平轴(x轴)与竖直轴(y轴)同时旋转，沿水平轴的转速为5r/min，沿竖直轴的转速为15r/min，反应8min；维持温度继续加热50min，再冷却到常温；打开成型模具，取下高压储气罐内胆。
61.(4)将步骤(3)获得的高压储气罐内胆放置于60℃烘箱内3h。
62.实验1
63.对比实施例2、聚乙烯、尼龙与铝合金的粘接性。
64.将实施例2中聚氨酯材料的铝合金粘接件在40℃烘15min取出浸入-196℃液氮中15分钟，反复冷热交变5次后，测试室温-196℃时的剪切强度没有变化。
65.将聚乙烯和尼龙在220℃时与铝合金粘接后浸入-196℃的液氮中15min，反复冷热交变5次后脱层。
66.实验2
67.对实施例2获得的聚氨酯储氢罐与尼龙、聚乙烯的生产过程耗能进行对比，结果见表1。
68.表1生产过程耗能对比
69.材料加热温度(℃)时间(min)耗能(大卡)聚乙烯2202215万尼龙2402618万聚氨酯115104万
70.由表1可见，本发明的能耗远低于聚乙烯与尼龙材质的储氢罐。
71.实验3
72.对各实施例、各对比例获得的聚氨酯弹性体材质的储氢罐与尼龙、高密度聚乙烯材质进行磨耗值对比。磨耗条件为：cs17轮，1000g/轮，5000r/min，23℃。结果见表2。
73.表2磨耗值对比
74.材料磨耗/mg实施例13.8
实施例23.5实施例33.7实施例43.7尼龙49高密度聚乙烯29
75.由表2可见，本发明的储氢罐的磨耗远低于尼龙与聚乙烯材质的储氢罐，其中，实施例2为最优实施例。
76.实验4
77.对各实施例、各对比例获得的聚氨酯弹性体材质的储氢罐与尼龙、高密度聚乙烯进行力学性能对比。实验方法参照qb1040-79，实验结果见表3。
78.表3力学性能对比
79.材料拉伸强度(mpa)伸长率(％)硬度聚乙烯3541090尼龙3229095实施例15735095实施例259.535095实施例35634595实施例456.5346.895
80.通过表3可见，本发明获得的聚氨酯储氢罐的拉伸强度显著优于聚乙烯和尼龙材质。其中，实施例2为最优实施例。
81.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。