阅读说明：本技术 复合气瓶及其成型方法 (Composite gas cylinder and forming method thereof ) 是由 于海泉 张强 于 2019-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合气瓶,包括塑料内胆、嵌设于塑料内胆端部的金属瓶头及缠绕于塑料内胆外壁的缠绕层。塑料内胆包括内胆内层和成型于内胆内层外壁的加强层,内胆内层的端部与金属瓶头一体成型。内胆内层的材质为热塑性树脂,加强层的材质为纤维增强热塑性树脂；缠绕层的材质为纤维增强环氧树脂。本发明的复合气瓶通过增大加强层与内胆内层之间的连接强度,增加加强层与缠绕层之间的粘接强度,而增强了缠绕层与塑料内胆之间的粘接结合力,从而增加了金属瓶头与塑料内胆衔接处的连接强度,保证了金属瓶头与塑料内胆的位移同步,从而提高了复合气瓶的质量。(The invention provides a composite gas cylinder which comprises a plastic inner container, a metal cylinder head embedded at the end part of the plastic inner container and a winding layer wound on the outer wall of the plastic inner container. The plastic inner container comprises an inner container layer and a reinforcing layer formed on the outer wall of the inner container layer, and the end part of the inner container layer and the metal bottle head are integrally formed. The inner layer of the inner container is made of thermoplastic resin, and the reinforcing layer is made of fiber reinforced thermoplastic resin; the winding layer is made of fiber reinforced epoxy resin. According to the composite gas cylinder, the bonding strength between the reinforcing layer and the inner layer of the liner is increased, the bonding strength between the reinforcing layer and the winding layer is increased, and the bonding force between the winding layer and the plastic liner is enhanced, so that the bonding strength of the joint of the metal cylinder head and the plastic liner is increased, the displacement synchronization of the metal cylinder head and the plastic liner is ensured, and the quality of the composite gas cylinder is improved.)

复合气瓶及其成型方法

技术领域

本发明涉及压力容器技术领域，特别涉及一种复合气瓶及其成型方法。

背景技术

为了跟紧环保要求不断提升的步伐，国内新能源、清洁能源技术也取得了长足的进步。在能源储运装备领域，具有更高容重比、耐腐蚀的Ⅳ型塑料内胆全缠绕复合材料气瓶越来越受到重视。消费者对此类产品也非常青睐。

目前的塑料内胆全缠绕复合材料型气瓶大多采用内胆层、缠绕层和外保护层三层的结构，其中，塑料内胆全缠绕复合材料型气瓶的瓶口为金属瓶头，内胆层的材质为塑料，金属瓶头与内胆层的封头先通过注塑工艺成型，然后再将内胆的封头与内胆的筒体部分焊接在一起。金属瓶头与内胆还可以使用滚塑工艺一体成型。无论是通过滚塑工艺还是注塑工艺成型，成型后的复合气瓶在高压作用下，内胆层变形较大，容易造成金属瓶头与内胆层变形不同步，进而使金属瓶头与内胆层的界面剥离，从而导致气瓶发生泄漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质量较高的复合气瓶，以解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种复合气瓶，包括塑料内胆、嵌设于所述塑料内胆端部的金属瓶头及缠绕于所述塑料内胆外壁的缠绕层，所述塑料内胆包括内胆内层和成型于所述内胆内层外壁的加强层，所述内胆内层的端部与所述金属瓶头一体成型；所述内胆内层的材质为热塑性树脂，所述加强层的材质为纤维增强热塑性树脂；所述缠绕层的材质为纤维增强环氧树脂，所述缠绕层与所述加强层连接固定。

在其中一实施方式中，所述加强层的外壁涂覆有环氧树脂，所述环氧树脂与所述加强层的纤维耦合连接，并与所述缠绕层粘接，而使得所述缠绕层与所述加强层连接固定。

在其中一实施方式中，所述加强层的纤维与所述缠绕层的环氧树脂耦合连接，而使所述缠绕层与所述加强层连接固定。

本发明还提供一种复合气瓶的成型方法，包括：

以热塑性树脂为原料成型内胆内层，并在所述内胆内层成型过程中将金属瓶头与所述内胆内层一体成型；

将所述内胆内层的外壁加热软化；

将加热软化后的纤维增强热塑性树脂预浸料包裹在加热软化后的所述内胆内层的外壁，成型得到加强层；

在所述加强层外壁缠绕纤维增强环氧树脂而成型缠绕层。

在其中一实施方式中，所述在所述加强层的外壁缠绕纤维增强环氧树脂而成型缠绕层的步骤具体包括：

对所述加强层的外表面进行加工，去除所述加强层外表面的热塑性树脂使所述加强层外表面的纤维裸露在外；

将所述纤维增强环氧树脂缠绕于所述加强层的外表面，使得所述缠绕层的环氧树脂与所述加强层外表面的纤维耦合连接。

在其中一实施方式中，所述在所述加强层的外壁缠绕纤维增强环氧树脂而成型缠绕层的步骤具体包括：

对所述加强层的外表面进行加工，去除所述加强层外表面的热塑性树脂使所述加强层外表面的纤维裸露在外；

涂覆环氧树脂于所述加强层外表面裸露在外的所述纤维上，使得所述环氧树脂与所述加强层的纤维耦合连接，；

将所述纤维增强环氧树脂缠绕于所述加强层的外表面，使得所述环氧树脂与所述缠绕层粘接。

在其中一实施方式中，所述环氧树脂与所述缠绕层同时固化。

在其中一实施方式中，所述在所述加强层的外壁缠绕纤维增强环氧树脂而成型缠绕层的步骤具体包括：

所述纤维增强环氧树脂先通过环向缠绕的方式缠绕于所述加强层的筒体上，再通过螺旋缠绕的方式缠绕于所述加强层的筒体和封头上。

在其中一实施方式中，所述内胆内层的外壁通过红外、激光或高温热气喷扫加热软化；

所述纤维增强热塑性树脂预浸料通过红外、激光或高温热气喷扫加热软化。

在其中一实施方式中，所述纤维增强热塑性树脂预浸料中的纤维为连续纤维，所述纤维增强热塑性树脂预浸料通过螺旋缠绕的方式缠绕于所述内胆内层的外壁。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明的复合气瓶包括金属瓶头、塑料内胆和缠绕于塑料内胆外壁的缠绕层。塑料内胆包括内胆内层和成型于内胆内层外壁的加强层，内胆内层为热塑性树脂，加强层为纤维增强热塑性树脂层，将加强层与内胆内层的热塑性树脂设计为同一类材料，使加强层与内胆内层熔和，增大了加强层与内胆内层之间的连接强度。缠绕层为纤维增强环氧树脂层，通过缠绕层的环氧树脂与加强层的纤维之间的化学耦合作用增强了缠绕层与加强层之间的粘结力，因此增强了缠绕层与塑料内胆之间的粘结力，从而增加了金属瓶头与塑料内胆衔接处的连接强度，因此保证了在高压情况下，金属瓶头与塑料内胆的位移同步，防止塑料内胆与金属瓶头的界面剥离的现象，从而提高了复合气瓶的质量。

且缠绕层与塑料内胆的粘结力增加后，保证了复合气瓶即使经过压力循环后，塑料内胆与缠绕层之间始终处于粘结状态，避免了在压力排空的状态下复合气瓶的塑料内胆会出现向内鼓包的现象，进而避免了经过多次鼓包之后，塑料内胆出现银纹化、裂纹，从而提高了复合气瓶的整体使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例中复合气瓶的局部结构示意图。

图2是本发明实施例中复合气瓶的剖视图。

图3是本发明实施例中复合气瓶成型方法的流程图。

附图标记说明如下：11、金属瓶头；12、塑料内胆；121、内胆内层；122、加强层；13、缠绕层；14、外保护层。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本发明提供一种复合气瓶，该复合气瓶可用于储运液化石油气、天然气及其他高压介质。

参阅图1和图2，本实施例中的复合气瓶包括塑料内胆12、金属瓶头11、缠绕层13和外保护层14。图1中仅示意了复合气瓶其中一端端口处的结构。

金属瓶头11与塑料内胆12的端部一体成型。具体地，金属瓶头11的材质为硬质铝合金、不锈钢或普通合金钢。其中，金属瓶头11为普通合金钢时，在金属瓶头11与塑料内胆12连接的部分采取防止电位腐蚀的措施。

在其中一实施方式中，金属瓶头11包括瓶头主体和突设于瓶头主体外周的盘形凸缘。该盘形凸缘具有间隔设置的多个沟槽。

请继续参阅图2，塑料内胆12包括内胆内层121和加强层122。

内胆内层121包括筒体和连接于筒体两端的封头。筒体呈两端开口、内部中空的圆筒形，封头呈椭圆形、球形或碟形，通过封头对筒体的两端进行收口，且封头与金属瓶头11一体成型而使金属瓶头11嵌设于封头内。

封头与筒体可一体成型，因此并不具有普通筒体和封头之间的拼接缝。为便于表述，将一体成型的内胆内层121的主体部分和两端部分沿用现有技术的名称分别称为筒体和封头。但再次强调，本实施例中将内胆内层121划分为筒体和封头，主要是根据其形状和位置所作出的区分，而不代表内胆内层121的实际组成结构。

封头与筒体也可以焊接连接，因此具有普通筒体和封头之间的拼接缝。

在其中一实施方式中，内胆内层121的封头的内周设有凹槽，该凹槽内设置有多个凸块，盘形凸缘容置于凹槽内时，凸块与沟槽相配合，进而实现塑料内胆12与金属瓶头11的初级连接，增强了塑料内胆12与金属瓶头11的密封性。

内胆内层121直接与介质接触，主要的作用是气密、防腐、耐温和耐压。具体地，内胆内层121的材质为热塑性树脂。热塑性树脂可为聚酰胺，还可以为高密度聚乙烯。

加强层122成型于内胆内层121的外壁，并与内胆内层121熔和粘结。因此，复合气瓶在受到压力的情况下，加强层122承担一部分的压力载荷，减小了内胆内层121所受到的压力，进而起到抗变形的作用。加强层122成型于内胆内层121的外壁还增加了金属瓶头11与内胆内层121连接处的连接强度，从而保证在高压作用下，内胆内层121变形时，金属瓶头11与内胆内层121的位移同步，进而避免了金属瓶头11与塑料内胆12界面剥离的现象，提高了复合气瓶的质量。

加强层122的材质为纤维增强热塑性树脂，其中，纤维可以为玻璃纤维，还可以为碳纤维或其他纤维，在此不对纤维的种类进行限制，纤维的种类可依据实际应用进行选择。

本实施例中，加强层122的热塑性树脂材料与内胆内层121的热塑性树脂一致，例如，均为聚酰胺。且加强层122成型于内胆内层121外壁前预先将纤维增强热塑性树脂及内胆内层121的外壁进行加热软化，然后再将纤维增强热塑性树脂缠绕或喷射于内胆内层121的外壁，最后进行固化得到熔和粘结的加强层122和内胆内层121。因加强层122的热塑性树脂与内胆内层121的热塑性树脂一致，两者能够熔和为没有明显界面的一体，因此加强层122与内胆内层121之间的熔和粘结力好。其他实施例中，加强层122的热塑性树脂材料还可以与内胆内层121的热塑性树脂材料为两种材料，例如，加强层122的热塑性树脂材料与内胆内层121的热塑性树脂材料其中之一为聚酰胺，另一为高密度聚乙烯。

加强层122通过连续纤维缠绕成型工艺或喷射工艺成型于内胆内层121上。连续纤维缠绕工艺首先制备纤维增强热塑性树脂预浸料，纤维增强热塑性树脂预浸料指将热塑性树脂熔融后浸润纤维，使热塑性树脂均匀的包裹在纤维的表面，冷却后得到固态的纤维增强热塑性树脂预浸料。在缠绕前还需将该预浸料及内胆内层121的外壁通过红外、激光或高温热气喷扫等方式进行加热软化，而使得加强层122与内胆内层121熔和，保证了两者之间的连接强度。

缠绕层13缠绕于加强层122的外壁，并与加强层122连接固定。具体地，缠绕层13的材质为纤维增强环氧树脂。本实施例中，纤维为碳纤维，环氧树脂为双酚A型环氧树脂。该双酚A型环氧树脂的力学强度较高、韧性较好以及粘度适中。

其中一实施方式中，加强层122的外壁涂覆有环氧树脂，该环氧树脂与加强层122的纤维耦合连接，并与缠绕层13粘接，而使得缠绕层13与加强层122连接固定。涂覆于加强层122外壁的环氧树脂与缠绕层13的环氧树脂为同一类型材料，因此融合好，增强了缠绕层13与加强层122之间的粘结力，且涂覆于加强层122外壁的环氧树脂与加强层122的纤维耦合连接，因此增强了缠绕层13与塑料内胆12之间的粘结力，因此保证了复合气瓶即使经过压力循环后，塑料内胆12与缠绕层13之间始终处于粘结状态，避免了在压力排空的状态下复合气瓶的塑料内胆12会出现向内鼓包的现象，进而避免了经过多次鼓包之后，塑料内胆12出现银纹化、裂纹，从而提高了复合气瓶的整体使用寿命。

且缠绕层13与塑料内胆12的粘结力增加后，进一步增加了金属瓶头11与塑料内胆12衔接处的连接强度，从而保证在高压情况下，金属瓶头11与塑料内胆12的位移同步，防止塑料内胆12与金属瓶头11之间的界面剥离，提高了复合气瓶的质量及使用寿命。

通过环氧树脂与纤维之间的耦合作用实现环氧树脂与加强层122粘接，增加了环氧树脂与加强层122之间的粘接结合力。

具体地，涂覆于加强层122外壁的环氧树脂为双酚A型环氧树脂，与缠绕层13的环氧树脂相同，使得两者融合更好，增强了加强层122与缠绕层13之间的粘接强度。

另一实施方式中，也可以不在加强层122外壁涂覆环氧树脂，缠绕层13直接与加强层122粘接，通过缠绕层13本身的环氧树脂与加强层122的纤维耦合连接。

外保护层14缠绕于缠绕层13的外壁。具体地，外保护层14的材质为玻璃纤维增强环氧树脂，且外保护层14的环氧树脂与缠绕层13的环氧树脂相同，因此两者融合好，增强了外保护层14与缠绕层13之间的粘接结合力。

本发明中复合气瓶将加强层122与内胆内层121的热塑性树脂设计为同一类材料，使加强层122与内胆内层121熔和成没有明显界面的一体，且涂覆于加强层122外壁的环氧树脂与加强层122的纤维具有耦合作用，因此增强了缠绕层13与塑料内胆12之间的粘接结合力，因此保证了复合气瓶即使经过压力循环后，塑料内胆12与缠绕层13之间始终处于粘结状态，避免了在压力排空的状态下复合气瓶的塑料内胆12会出现向内鼓包的现象，进而避免了经过多次鼓包之后，塑料内胆12出现银纹化、裂纹，从而提高了复合气瓶的整体使用寿命。

且缠绕层13与塑料内胆12的粘结力增加后，进一步增加了金属瓶头11与塑料内胆12衔接处的连接强度，从而保证在高压情况下，金属瓶头11与塑料内胆12的位移同步，防止塑料内胆12与金属瓶头11的界面剥离的现象。

参阅图3，本发明还提供一种复合气瓶的成型方法，包括以下步骤：

S1、以热塑性树脂为原料成型内胆内层121，并在内胆内层121成型过程中将金属瓶头11与内胆内层121一体成型。

其中一实施方式中，内胆内层121通过滚塑工艺成型，具体地，包括：

S101、将金属瓶头11预热；

S102、将预热后的金属瓶头11放置于滚塑膜腔内，将热塑性树脂充入滚塑膜腔内，使金属瓶头11与内胆内层121一体成型。

金属瓶头11预热后可保证金属瓶头11的盘形凸缘上的沟槽内注满热塑性树脂，保证了成型后的金属瓶头11与内胆内层121之间的连接强度。

另一实施方式中，内胆内层121通过注塑工艺成型，具体地，步骤包括：

S111、制备内胆内层121的筒体；

S112、将金属瓶头11放置于注塑膜腔内，将热塑性树脂充入该注塑膜腔内，使金属瓶头11与内胆内层121的封头一体成型。

S113、热熔焊接内胆内层121的封头与筒体。

S2、将内胆内层121的外壁加热软化。

内胆内层121的加热软化可通过红外、激光或高温热气喷扫等方式。

S3、将加热软化后的纤维增强热塑性树脂预浸料包裹在加热软化后的内胆内层121的外壁，成型得到加强层122。

具体地，包括：

S31、提供原料纤维和热塑性树脂，将热塑性树脂熔融后均匀的包裹纤维，得到纤维增加热塑性树脂预浸料。

S32、将纤维增加热塑性树脂预浸料加热软化。其中，加热软化通过红外、激光或高温热气喷扫等方式。

具体地，内胆内层121的加热软化可与纤维增加热塑性树脂预浸料的加热软化同时进行，以充分保证下一步工序时两者均处于软化状态。

S33、将加热软化后的纤维增加热塑性树脂预浸料包裹于内胆内层121的外壁，成型得到加强层122。

其中一实施方式中，加热软化后的纤维增强热塑性树脂预浸料缠绕于内胆内层121的外壁。具体地，缠绕方式为螺旋缠绕，并将内胆内层121的封头和筒体均缠绕。

通过加强层122的缠绕作用使金属瓶头11牢牢的嵌入到内胆内层121中，类似于通过绳子绑紧的作用，保证了在高压作用下，内胆内层121与金属瓶头11的位移同步，避免了金属瓶头11与内胆内层121剥离。

另一实施方式中，加热软化后的纤维增加热塑性树脂预浸料通过喷射方式包裹于内胆内层121的外壁。

S4、在加强层122外壁缠绕纤维增强环氧树脂而成型缠绕层13。

其中一实施方式中，该步骤具体包括：

S401、对加强层122的外表面进行加工，使加强层122外表面的纤维裸露在外。

S402、涂覆环氧树脂于加强层122外表面裸露在外的纤维上，该环氧树脂与裸露在外的纤维耦合连接。

S403、纤维增强环氧树脂先通过环向缠绕的方式缠绕于加强层122的筒体上，再通过螺旋缠绕的方式缠绕于加强层122的筒体和封头上。

裸露在外的纤维与环氧树脂之间的耦合、螯合作用大，缠绕层13的环氧树脂与涂覆于加强层122外表面的环氧树脂固化而粘接，因此，增加了加强层122与缠绕层13之间的粘接结合力，因此，降低了在压力排空的状态下，复合气瓶的内胆内层121出现鼓包的现象，提升了复合气瓶的使用寿命。

另一实施方式中，该步骤具体包括：

S411、对加强层122的外表面进行加工，使加强层122外表面的纤维裸露在外。

S412、纤维增强环氧树脂先通过环向缠绕的方式缠绕于加强层122的筒体上，再通过螺旋缠绕的方式缠绕于加强层122的筒体和封头上。

裸露在外的纤维与缠绕层13本身的环氧树脂之间进行耦合，通过环氧树脂与纤维的耦合作用实现缠绕层13与加强层122粘接，增加了缠绕层13与加强层122之间的粘接结合力。

S5、在缠绕层13的外周缠绕玻璃纤维/环氧树脂而成型外保护层14。

具体地，包括：

S51、提供外保护层14的原料玻璃纤维和环氧树脂，将环氧树脂熔融后均匀的包裹玻璃纤维，得到玻璃纤维/环氧树脂材料。

S52、将玻璃纤维/环氧树脂材料缠绕于缠绕层13的外壁，得到外保护层14、缠绕层13和塑料内胆12。

S6、将上述外保护层14、缠绕层13和环氧树脂同时进行固化。

具体地，环氧树脂、缠绕层13的环氧树脂及外保护层14的环氧树脂为同一环氧树脂，且依次使用，使用时间总计不超过2小时，在外保护层14缠绕完成后同一时间固化，因此可使得环氧树脂、缠绕层13的环氧树脂及外保护层14的环氧树脂一体成型，提高了塑料内胆12、缠绕层13与外保护层14三者之间的粘接结合力，保证复合气瓶经过较长时间的压力循环后塑料内胆12与缠绕层13处于粘接状态，提高了复合气瓶的使用寿命。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。