阅读说明：本技术 一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法 (Ultrasonic injection-bulging integrated molding method for plastic inner container of fiber fully-wound gas cylinder ) 是由 王辉 刘兆义 华林 陈一哲 付爽 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法,涉及储气装置领域。该纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法包括以下步骤：对金属阀口接头进行表面纳米化处理；将金属阀口接头固定、加热后使用超声波处理金属阀口接头；将塑料内胆的熔体注入模具的型腔中,使金属阀口接头与塑料内胆在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接,保压冷却得到型胚；将型胚沿轴向拉伸的同时使用气体加压胀形,冷却、脱模。本实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法既保证了气瓶塑料内胆的气密性,又明显提高了气瓶塑料内胆的金属阀口接头与塑料内胆封头的连接强度。(An ultrasonic injection-bulging integrated molding method for a plastic inner container of a fiber fully-wound gas cylinder relates to the field of gas storage devices. The ultrasonic injection-bulging integrated molding method for the plastic inner container of the fiber fully-wound gas cylinder comprises the following steps of: carrying out surface nanocrystallization treatment on the metal valve port joint; fixing the metal valve port joint, heating and then treating the metal valve port joint by using ultrasonic waves; injecting the melt of the plastic liner into a cavity of a mold, enabling the metal valve port connector and the plastic liner to form anchor bolt connection under the action of pressure and ultrasonic vibration, and maintaining the pressure and cooling to obtain a parison; and (3) stretching the blank along the axial direction, pressurizing and expanding by using gas, cooling and demolding. The ultrasonic injection-bulging integrated molding method for the plastic liner of the gas cylinder by fully winding the fibers provided by the embodiment not only ensures the air tightness of the plastic liner of the gas cylinder, but also obviously improves the connection strength between the metal valve port joint of the plastic liner of the gas cylinder and the seal head of the plastic liner.)

一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型 方法

技术领域

本申请涉及储气装置领域，具体而言，涉及一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法。

背景技术

压力气体储运气瓶本广泛应用于新能源汽车装备、背戴式呼吸器等领域。目前国内市场主要以全金属或者具有金属内胆的纤维缠绕气瓶为主，但其存在气体储运密度低，存在氢脆的风险，且使用寿命低等问题。塑料内胆纤维全缠绕气瓶具有更佳的冲击韧性和耐腐蚀性等特点，在保证应用安全性的前提下，可大幅减低储气瓶的质量，成为近年来压力气瓶的主要研究方向。

料内胆纤维全缠绕气瓶由于连接与刚度的需要，在瓶口位置需要采用金属材料。目前常采用的连接方式有金属阀口接头与塑料内胆粘接或金属阀口接头嵌件注塑后与筒身直线段焊接，但二次连接工艺会导致应力集中、气密性变差等问题，为了实现金属与塑料在瓶口处更好的结合，需要对金属接头的结构、形状进行合理的设计以及采用合理的工艺。

因此，迫切需要提供一种能够解决金属阀口接头与塑料内胆气密性连接以及避免二次连接工艺的内胆一体化成型的新工艺。

发明内容

本申请的目的在于提供一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法，其既保证了气瓶塑料内胆的气密性，又明显提高了气瓶塑料内胆的金属阀口接头与塑料内胆封头的连接强度。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法，该气瓶塑料内胆由金属阀口接头和塑料内胆连接组成，塑料内胆由聚合物原料和改性母料组成，包括以下步骤：

对所述金属阀口接头用于与所述塑料内胆连接的连接面进行表面纳米化处理；

将表面纳米化处理后的所述金属阀口接头固定，并加热至温度达到组成所述塑料内胆的聚合物原料的玻璃化温度，使用超声波振动所述金属阀口接头；

将聚合物原料和改性母料混合融化形成的熔体注入模具的型腔中形成塑料内胆，使所述金属阀口接头的连接面与所述塑料内胆的封头连接处在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接；

对连接的所述金属阀口接头和所述塑料内胆进行保压冷却得到型胚；

将所述型胚沿轴向拉伸的同时使用气体加压胀形，冷却、脱模。

在一些可选的实施方案中，表面纳米化处理是依次对金属阀口接头的连接面进行电化学抛光、无水乙醇清洗、干燥、碱洗、去离子水冲洗、干燥、酸洗、去离子水冲洗、干燥、阳极氧化处理、去离子水冲洗和干燥。

在一些可选的实施方案中，加热模具时采用电加热管或红外加热装置进行加热。

在一些可选的实施方案中，超声波处理的频率为15-55KHz；熔体的注入压力为10-20MPa，注入速度为300-500mm/s；熔体的注入温度为120-180℃，注入熔体时的模具温度为100-150℃。

在一些可选的实施方案中，聚合物原料为聚酰胺-6，改性母料由按质量百分比计的以下原料制成：79～89.5％的聚酰胺-6、2.5～5％的阻隔剂、1.5～3％的抗静电剂、0.5～1％的抗氧剂、1.5～3％的分散剂、1.5～3％的光稳定剂及3～6％的偶联剂；聚合物原料和改性母料的重量比为80-90：10-20。

在一些可选的实施方案中，保压的压力为0.5-3MPa，保压冷却采用的介质为水或空气。

在一些可选的实施方案中，型胚加压胀形时，采用空气或惰性气体，胀形压力为0.1-0.5MPa，胀形比为2.5-6。

本申请的有益效果是：本实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法包括以下步骤：对金属阀口接头用于与塑料内胆连接的连接面进行表面纳米化处理；将表面纳米化处理的金属阀口接头固定，加热模具至达到组成塑料内胆的聚合物原料的玻璃化温度，使用超声波处理金属阀口接头；将聚合物原料和改性母料混合融化形成的熔体注入模具的型腔中形成塑料内胆，使金属阀口接头的连接面与塑料内胆的封头连接处在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接；对连接的金属阀口接头和塑料内胆进行保压冷却得到型胚；将型胚沿轴向拉伸的同时使用气体加压胀形，冷却、脱模。本实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法既保证了气瓶塑料内胆的气密性，又明显提高了气瓶塑料内胆的金属阀口接头与塑料内胆封头的连接强度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法制备得到的气瓶塑料内胆的剖视图；

图2为本申请实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法中固定金属阀口接头的模具的第一视角的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法中固定金属阀口接头的模具的第二视角的结构示意图；

图4为沿图3中A-A剖面线的剖视图。

图中：100、金属阀口接头；101、连接面；110、塑料内胆；111、封头；200、左模；210、右模；220、导柱；230、超声波振动变幅杆；240、连接法兰；250、超声波换能器；260、加热管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法进行具体说明。

本申请实施例提供一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法，如图1所示，该气瓶塑料内胆由金属阀口接头100和塑料内胆110连接组成，金属阀口接头100的连接面101和塑料内胆110的封头111连接。塑料内胆由聚合物原料和改性母料组成，聚合物原料为聚酰胺-6，改性母料由按质量百分比计的以下原料制成：79～89.5％的聚酰胺-6、2.5～5％的阻隔剂、1.5～3％的抗静电剂、0.5～1％的抗氧剂、1.5～3％的分散剂、1.5～3％的光稳定剂及3～6％的偶联剂；PA6和母料的重量比为80-90：10-20。

如图2、图3和图4所示，该纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法使用的固定金属阀口接头100的模具为左模200、右模210、连接左模200和右模210的两根导柱220组成的对开式模具，左模200和右模210分别连接有贯穿至其内部的超声波振动变幅杆230，两根超声波振动变幅杆230分别通过连接法兰240连接有超声波换能器250，左模200和右模210上分别插设有四根加热管260。

该纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法包括以下步骤：

对金属阀口接头100的用于与塑料内胆110连接的连接面101进行表面纳米化处理；表面纳米化处理是依次对金属阀口接头的连接面进行电化学抛光、无水乙醇清洗、干燥、碱洗、去离子水冲洗、干燥、酸洗、去离子水冲洗、干燥、阳极氧化处理、去离子水冲洗和干燥；可选的，电化学抛光所用的电解液为高氯酸和乙醇按体积比为1：5的混合溶液，抛光电压为6V-15V，抛光时间为6min-15min；可选的，无水乙醇清洗的清洗时间为2min-5min；可选的，干燥均为常温干燥；可选的，碱洗是使用40-60℃、20-50g/L的NaOH溶液进行清洗，清洗时间为3-6min；可选的，酸洗是使用质量百分浓度为30-50％的盐酸酸洗，酸洗时间为40s-80s；可选的，阳极氧化处理是以金属为阳极，不锈钢为阴极，硫酸溶液为电解液，在电压8V-12V，温度为18-25℃条件下处理20-40min，硫酸溶液的质量百分浓度为10-30％。

将表面纳米化处理的金属阀口接头固定于上述模具中，加热模具至温度达到组成塑料内胆的聚合物原料的玻璃化温度，使用超声波处理金属阀口接头100；可选的，加热模具时采用电加热管或红外加热装置进行加热；可选的，超声波处理的频率为15-55KHz；注入熔体时的模具温度为100-150℃。

将聚合物原料和改性母料混合融化形成的熔体注入塑料内胆成型模具的型腔中形成塑料内胆，使金属阀口接头190的连接面与塑料内胆的封头连接处在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接；可选的，熔体的注入温度为120-180℃，熔体的注入压力为10-20MPa，注入速度为300-500mm/s。

对连接的金属阀口接头和塑料内胆进行保压冷却得到型胚；可选的，保压的压力为0.5-3MPa，保压冷却采用的介质为水或空气。

将型胚沿轴向拉伸的同时加压胀形，冷却、脱模。可选的，型胚加压胀形时，采用空气或惰性气体，胀形压力为0.1-0.5MPa，胀形比为2.5-6。

本申请实施例提供的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法结合压力注射成型高熔接强度和胀形制造取向强化结构的技术优势，通过一套模具将两种工艺相结合，并利用压力和超声波的综合作用，使塑料熔体在处理后的金属表面纳米级空腔内的填充并形成微观锚栓连接结构，进而达到塑料内胆的封头与金属阀口接头连接面的强化连接以及高密封性，并利用气压胀形工艺完成聚合物高分子链的强制取向与成型，进而完成塑料内胆构件筒身段的定型，省去传统成型过程中的二次筒身焊接、粘接和后处理等连接过程，不仅工序简单，缩短了生产周期，提高了内胆的气密性、高低压循环寿命与安全可靠性，同时兼具经济效益。

以下结合具体实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆，其是通过下述的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法制备得到：

对金属阀口接头100的用于与塑料内胆110连接的连接面101进行表面纳米化处理；表面纳米化处理是依次对金属阀口接头的连接面进行电化学抛光、无水乙醇清洗、干燥、氢氧化钠溶液碱洗、去离子水冲洗、干燥、盐酸溶液酸洗、去离子水冲洗、干燥、阳极氧化处理、去离子水冲洗和干燥；其中，电化学抛光所用的电解液为高氯酸和乙醇按体积比为1：5的混合溶液，抛光电压为10V，抛光时间为12min，无水乙醇清洗的清洗时间为3min，干燥均为常温干燥，碱洗是使用50℃、30g/L的NaOH溶液进行清洗，清洗时间为5min，酸洗是使用质量百分浓度为50％的盐酸酸洗，酸洗时间为60s，阳极氧化处理是以铜棒为阳极，不锈钢为阴极，硫酸溶液为电解液，在电压10V，温度为25℃条件下处理30min，硫酸溶液的质量百分浓度为30％。

将表面纳米化处理的金属阀口接头固定于模具中，采用电加热管加热模具至达到150℃，使用超声波处理金属阀口接头；超声波处理的频率为50Hz。

将聚合物原料和改性母料混合融化形成的150℃的熔体注入塑料内胆成型模具的型腔中形成塑料内胆，使金属阀口接头的连接面与塑料内胆的封头处在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接；聚合物原料为聚酰胺-6，改性母料由按质量百分比计的以下原料制成：84％的聚酰胺-6、5％的阻隔剂、3％的抗静电剂、1％的抗氧剂、3％的分散剂、3％的光稳定剂及6％的偶联剂；聚合物原料和改性母料的重量比为90：10；熔体的注入压力为15MPa，注入速度为400mm/s。

使用冷却水对连接的金属阀口接头和塑料内胆进行保压冷却得到型胚；保压的压力为3Pa。

将型胚沿轴向拉伸的同时利用空气加压，使型胚在气压的作用下贴近模具壁胀形，冷却、脱模。胀形压力为0.5MPa，胀形比为5。

实施例2

本实施例提供了一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆，其是通过下述的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法制备得到：

本实施例提供了一种纤维全缠绕气瓶塑料内胆，其是通过下述的纤维全缠绕气瓶塑料内胆超声波注射-胀形一体化成型方法制备得到：

对金属阀口接头100的用于与塑料内胆110连接的连接面101进行表面纳米化处理；表面纳米化处理是依次对金属阀口接头的连接面进行电化学抛光、无水乙醇清洗、干燥、氢氧化钠溶液碱洗、去离子水冲洗、干燥、盐酸溶液酸洗、去离子水冲洗、干燥、阳极氧化处理、去离子水冲洗和干燥。其中，电化学抛光所用的电解液为高氯酸和乙醇按体积比为1：5的混合溶液，抛光电压为15V，抛光时间为15min，无水乙醇清洗的清洗时间为5min，干燥均为常温干燥，碱洗是使用60℃、40g/L的NaOH溶液进行清洗，清洗时间为4min，酸洗是使用质量百分浓度为30％的盐酸酸洗，酸洗时间为80s，阳极氧化处理是以铜棒为阳极，不锈钢为阴极，硫酸溶液为电解液，在电压12V，温度为25℃条件下处理35min，硫酸溶液的质量百分浓度为30％。

将表面纳米化处理的金属阀口接头固定于模具中，采用电加热管加热模具至达到135℃，使用超声波处理金属阀口接头；超声波处理的频率为4Hz。

将聚合物原料和改性母料混合融化形成的熔体注入塑料内胆成型模具的型腔中形成塑料内胆，使金属阀口接头的连接面与塑料内胆的封头处在压力和超声波振动作用下形成锚栓连接；聚合物原料为聚酰胺-6，改性母料由按质量百分比计的以下原料制成：88％的聚酰胺-6、3％的阻隔剂、2％的抗静电剂、0.5％的抗氧剂、1.5％的分散剂、2％的光稳定剂及3％的偶联剂；聚合物原料和改性母料的重量比为85：15；熔体的注入压力为20MPa，注入速度为500mm/s。

使用冷却水对连接的金属阀口接头和塑料内胆进行保压冷却得到型胚；保压的压力为2Pa。

将型胚沿轴向拉伸的同时利用氮气加压，使型胚在气压的作用下贴近模具壁胀形，冷却、脱模。胀形压力为0.4MPa，胀形比为6。

其中，上述聚酰胺-6的生产厂家为荷兰帝斯曼，型号为Fuel Lock FL-LP；阻隔剂的生产厂家为日本协和，型号为改性水滑石magceler-1；抗静电剂的生产厂家为瑞士科莱恩，型号为抗静电剂SAS93；抗氧剂的生产厂家为德国巴斯夫，型号为IRGANOXB215；分散剂的生产厂家为瑞士科莱恩，型号为聚酰胺Licowax C蜡；光稳定剂的生产厂家为瑞士科莱恩，型号为Nylostab S-EEDpowder；偶联剂的生产厂家为德国巴斯夫，型号为马来酸酐类高分子偶联剂。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。