阅读说明：本技术 一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法 (Method for forming plastic inner container of fully-wound composite gas cylinder ) 是由 王辉 付爽 华林 陈一哲 刘兆义 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法,涉及储气装置领域。该全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法是将制得的塑料筒身固定,将加热杆与金属瓶口螺纹连接加热金属瓶口的环形法兰；移动加热杆使塑料筒身沿轴线移动接触环形法兰外表面,将熔融的塑料筒身与环形法兰粘接；继续加热加热杆,并使用定型模具包裹塑料内胆,将气体注入塑料内胆内对环形法兰周围熔融的塑料进行加压胀形处理,同时通过定型模具内部的排气通道将塑料内胆外的气体吸出,使熔融的塑料贴合于定型模具的内表面与环形法兰的外表面；保压后释放气压,停止加热、冷却后脱模。本申请提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法能够制备得到连接强度高、抗疲劳能力强、密封性能好的储气塑料内胆。(A method for forming a fully-wound composite gas cylinder plastic inner container relates to the field of gas storage devices. The method for forming the plastic liner of the fully-wound composite gas cylinder comprises the steps of fixing a manufactured plastic cylinder body, and connecting a heating rod with a metal cylinder opening through threads to heat an annular flange of the metal cylinder opening; moving the heating rod to enable the plastic cylinder body to move along the axis to contact the outer surface of the annular flange, and bonding the molten plastic cylinder body with the annular flange; continuously heating the heating rod, wrapping the plastic liner by using a shaping mold, injecting gas into the plastic liner to perform pressurization bulging treatment on the molten plastic around the annular flange, and simultaneously sucking out the gas outside the plastic liner through an exhaust channel in the shaping mold to ensure that the molten plastic is attached to the inner surface of the shaping mold and the outer surface of the annular flange; releasing air pressure after maintaining pressure, stopping heating, cooling and demoulding. The forming method of the fully-wound composite gas cylinder plastic inner container can be used for preparing the gas storage plastic inner container which is high in connection strength, strong in anti-fatigue capability and good in sealing performance.)

一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法

技术领域

本申请涉及储气装置领域，具体而言，涉及一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法。

背景技术

氢能源燃料电池汽车作为新能源汽车具有比较好的发展潜力与趋势，受到了人们的广泛关注和研究。氢能源燃料电池汽车的车载储氢技术主要有四类，分别是高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢、有机液体储氢。其中高压气态储氢技术是目前最成熟的技术，并且高压气态储氢具有成本低、充放氢速度快的优点，高压气态储氢技术中需要使用塑料内胆全缠绕复合容器作为储氢瓶使用，其具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优异性特点。

目前国内***储氢瓶的研发过程中普遍存在塑料筒身与金属瓶口的高强度连接及密封问题，若能成功解决四型瓶的研发问题，将极大提高氢能源汽车的储氢效率。现有的全缠绕复合气瓶塑料内胆在瓶口处所采用的的连接工艺大多通过在连接处加装密封件、紧箍环、套圈、嵌入环等方式将塑料筒身与金属瓶口紧密连接，或是通过改变金属瓶口结构，增加沟槽、燕尾槽、孔洞等通过宏观物理的机械互锁原理将塑料筒身与金属瓶口紧紧卡住的方式强化连接。但仅仅通过宏观上的机械锁死，塑料嵌入等方式，虽然能保证金属瓶口与塑料筒身在整体结构上不会分开，但都会导致塑料筒身与金属瓶口在接触界面存在脱胶或分离的现象，在使用过程中降低全缠绕复合气瓶的使用性能，同时现有塑料内胆的制作工艺大多采用内胆瓶口嵌件注塑后再焊接在塑料筒身上，塑料内胆筒身部分采用分段成型工艺必然会导致内胆整体结构上的不足，难以满足使用的需求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法，其利用塑料与金属微观界面的机械互锁原理结合分子键连接方式连接塑料筒身与金属瓶口，能够制备得到连接强度高、抗疲劳能力强、密封性能好的储气塑料内胆。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法，塑料内胆由塑料筒身与金属瓶口组成，金属瓶口由一体成型的阀座和环形法兰组成，包括以下步骤：

使用具有极性基团接枝的塑料成型得到塑料筒身，将塑料筒身使用固定模具固定，对金属瓶口的环形法兰进行表面处理，随后将具有螺纹的加热杆与金属瓶口螺纹连接，加热金属瓶口的环形法兰；

沿塑料筒身的轴线方向移动金属瓶口，使塑料筒身接触加热的环形法兰，将熔融的塑料筒身与环形法兰粘接，直至环形法兰的端面与塑料筒身的封头端面重合，继续加热加热杆；

使用定型模具包裹塑料内胆，将气体通过加热杆内部的进气通道注入至塑料内胆内，对环形法兰周围熔融的塑料进行加压胀形处理，同时通过定型模具内部的排气通道将塑料内胆外的气体吸出，使熔融的塑料贴合于定型模具的内表面与环形法兰的外表面；

保压后释放气压，停止加热、冷却后脱模。

在一些可选的实施方案中，对金属瓶口的环形法兰进行表面处理是：依次对环形法兰进行阳极氧化处理和涂覆硅烷偶联剂。

在一些可选的实施方案中，阳极氧化处理为用磷酸阳极氧化或硫酸阳极氧化。

在一些可选的实施方案中，硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂和乙烯基硅烷偶联剂混合物中的一种。

在一些可选的实施方案中，金属瓶口的环形法兰外壁开设有1～8个凹槽。

在一些可选的实施方案中，加热杆的加热温度为150～350℃。

在一些可选的实施方案中，加压胀形处理时的充气压力为0.5～5MPa。

在一些可选的实施方案中，保压时间为60～600s；气体吸出时的真空度为0.01～0.09MPa。

在一些可选的实施方案中，塑料筒身由HDPE与马来酸酐接枝HDPE的混合物采用吹塑、注射吹塑、注射拉伸吹塑、滚塑成型中的一种制成，HDPE与马来酸酐接枝HDPE混合物中HDPE的质量百分比为60～90％。

在一些可选的实施方案中，将熔融的塑料筒身与环形法兰粘接时，对加热杆进行超声波处理，超声波处理的频率为15～40kHz，功率为200～3000W。

本申请的有益效果是：本实施例提供一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法，塑料内胆由塑料筒身与金属瓶口组成，金属瓶口由一体成型的阀座和环形法兰组成，包括以下步骤：使用具有极性基团接枝的塑料成型得到塑料筒身，将塑料筒身使用固定模具固定，对金属瓶口的环形法兰进行表面处理，随后将具有螺纹的加热杆与金属瓶口螺纹连接，加热金属瓶口的环形法兰；沿塑料筒身的轴线方向移动金属瓶口，使塑料筒身接触加热的环形法兰，将熔融的塑料筒身与环形法兰粘接，直至环形法兰的端面与塑料筒身的封头端面重合，继续加热加热杆；使用定型模具包裹塑料内胆，将气体通过加热杆内部的进气通道注入至塑料内胆内，对环形法兰周围熔融的塑料进行加压胀形处理，同时通过定型模具内部的排气通道将塑料内胆外的气体吸出，使熔融的塑料贴合于定型模具的内表面与环形法兰的外表面；保压后释放气压，停止加热、冷却后脱模。本实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法利用塑料与金属微观界面的机械互锁原理结合分子键连接方式连接塑料筒身与金属瓶口，形成高强度、高密封、抗疲劳能力强的塑料内胆。

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全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中固定模具和定性模具制作塑料内胆时的***结构示意图；

图2为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中制备得到的塑料内胆的局部剖视图；

图3为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中金属瓶口的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中金属瓶口的剖视图；

图5为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中加热杆的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中加热杆的剖视图；

图7为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中超声设备的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法中通过加热杆的气体通道往塑料内胆内部充入氦气时的结构示意图。

图中：100、塑料内胆；110、塑料筒身；111、封头；120、金属瓶口；130、阀座；131、阀口；132、内螺纹；140、环形法兰；141、上端面；142、侧端面；143、下端面；144、凹槽；200、固定模具；201、第一型腔；210、定型模具；211、第二型腔；212、冷却通道；213、排气通道；220、第一定位销；221、第二定位销；222、定位孔；230、加热杆；231、外螺纹；232、加热丝；233、气体通道；240、超声设备；241、超声波发生器；242、超声波换能器；243、超声波变幅杆；244、超声波法兰盘；245、超声设备保护罩。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本申请实施例提供一种全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法，该塑料内胆100由塑料筒身110与金属瓶口120组成，塑料筒身110由质量比为80：20的高密度聚乙烯与高密度聚乙烯接枝马来酸酐混合并成型得到；金属瓶口120由一体成型的阀座130和环形法兰140组成，金属瓶口120选用6061铝合金制备得到，阀座130的阀口131内壁设有内螺纹132，且阀座130的阀口131内壁内螺纹132下部为内径逐渐减小的梯形面，保证瓶口阀过盈配合压紧并贴合于阀口131的梯形面，环形法兰140包括上端面141、侧端面142和下端面143，环形法兰140的侧端面142开设有沿其周向间隔布置的6个梯形的凹槽144，环形法兰140的厚度沿其径向逐渐减小，且上端面141和下端面143与塑料筒身110的封头111曲率相同以便于平顺接触连接。

该全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法采用的主要设备包括：两个对称布置的固定模具200用于配合固定塑料筒身110、两个对称布置的定型模具210用于配合固定金属瓶口120、加热杆230用于加热金属瓶口120、与加热杆230连接的超声设备240用于进行超声波处理；两个固定模具200之间及两个定型模具210之间分别过两个第一定位销220配合定位连接，每个固定模具200分别过两个第二定位销221与一个对应的定型模具210配合定位连接，固定模具200和定型模具210上分别设有用于与对应的第一定位销220和第二定位销221对应的定位孔222，两个固定模具200之间形成用于限定一部分塑料筒身110位置的第一型腔201，两个定型模具210之间形成用于另一部分限定塑料筒身110以及金属瓶口120位置的第二型腔211，两个定型模具210均设有用于供冷却水通过的冷却通道212，冷却通道212的两端分别与对应定型模具210的表面连通，两个定型模具210还分别设有与第二型腔211连通的排气通道213；加热杆230具有与阀口131内壁内螺纹132配合的外螺纹231、设于加热杆230内的加热丝232及用于向固定于第一型腔201内塑料筒身110中通入气体的气体通道233；超声设备240包括超声波发生器241、超声波换能器242、超声波变幅杆243、超声波法兰盘244、超声设备保护罩245，其是通过超声波发生器241产生高频交流电信号传递给超声波换能器242，超声波换能器242将输入的电功率转换成机械功率即声波传递至超声波变幅杆243，超声波变幅杆243将机械振动的质点位移或速度放大传递至加热杆230，加热杆230将超声波能量传递给金属瓶口，超声波变幅杆243与加热杆230通过螺纹同轴连接，超声波法兰盘244用于固定超声波变幅杆243并调节加热杆230的水平度；超声设备保护罩245用于罩设在超声波换能器242和超声波变幅杆243上进行保护。

该全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法具体包括以下步骤：预先将质量比为80：20的高密度聚乙烯与高密度聚乙烯接枝马来酸酐混合吹塑成型得到塑料筒身110；随后对制备得到的金属瓶口120的环形法兰140的侧端面142和下端面143进行表面处理，表面处理为依次使用磷酸阳极氧化处理和使用氨基硅烷偶联剂与乙烯基硅烷偶联剂的混合物涂覆形成覆膜，接着将塑料筒身110使用两个固定模具200固定，将加热杆230的外螺纹231与金属瓶口120的阀口131的内螺纹132连接，利用加热杆230内加热丝232加热金属瓶口120的环形法兰140至220℃，当环形法兰140的下端面143温度达到220℃后，将加热杆230和金属瓶口120沿塑料筒身110的轴线方向向塑料筒身110的封头111处缓缓靠近，当环形法兰140的下端面143与塑料筒身110的封头111处接触时，塑料开始熔融并黏着在环形法兰140的下端面143表面，熔融的塑料与热的金属表面接触贴合并在热金属的作用下逐渐渗入金属表面微小孔洞中，金属瓶口120继续压入塑料筒身110直至到达预定位置，此时环形法兰140的下端面143位于原塑料筒身110的封头111所在位置，加热杆230继续加热，保持温度在220℃。

将两个固定模具200及两个定型模具210之间分别过两个第一定位销220配合定位连接，每个固定模具200分别过两个第二定位销221与一个对应的定型模具210配合定位连接，此时，塑料筒身110的中部和底部位于两个固定模具200之间形成的第一型腔201内，塑料筒身110顶部以及金属瓶口120位于两个定型模具210之间形成的第二型腔211内，且第一型腔201和第二型腔211内表面形状与塑料内胆100外表面形状相同，通过加热杆230的气体通道233往塑料内胆100内部充入氦气加热，充气压力为3MPa，并通过定型模具210设置的排气通道213将塑料筒身110外部气体往外抽出，抽气的真空度为0.05MPa，同时启动超声设备240进行超声波处理，超声波处理的频率为20kHz，功率为1500W，对金属瓶口120超声波处理60s后关闭，继续保压150s，随后释放塑料内胆100的内部气压，关闭加热杆230上的加热丝232，将冷却水通过定型模具210内部的冷却通道212对成型的塑料内胆100进行冷却，冷却后打开固定模具200和定型模具210，取出成型后的塑料内胆100。

本实施例提供的全缠绕复合气瓶塑料内胆成型方法首先对金属瓶口120的环形法兰140的侧端面142和下端面143进行表面处理，依次使用磷酸阳极氧化处理和使用氨基硅烷偶联剂与乙烯基硅烷偶联剂的混合物涂覆形成覆膜，在环形法兰140表面产生无数个纳米级别的微小孔洞，当受金属瓶口120加热而熔融的高密度聚乙烯渗入到纳米微孔中冷却凝固后，能够在塑料与金属连接面形成微观的机械互锁结构，同时采用氨基硅烷偶联剂与乙烯基硅烷偶联剂的混合物涂覆形成覆膜，氨基硅烷偶联剂一端的烷氧基水解成硅羟基取向于金属瓶口120表面同时与材料表面的羟基发生水解缩聚反应，氨基则取向于塑料筒身110表面，在交联固化中氨基与马来酸酐的酸酐发生化学反应，从而形成金属瓶口120和塑料筒身110间的偶联过程，此外乙烯基硅烷偶联剂一端的烷氧基水解成硅羟基取向于金属瓶口120表面同时与材料表面的羟基发生水解缩聚反应，乙烯基团则与熔融的高密度聚乙烯发生交联反应，也会形成金属瓶口120和塑料筒身110间的偶联过程，从而通过纳米孔洞产生的微观机械互锁结构配合硅烷偶联剂与马来酸塑料反应产生的分子键连接，以及瓶口阀通过过盈配合产生的压紧作用，保证了塑料筒身110与金属瓶口120的高强度连接与高密封性能，避免塑料筒身110与金属瓶口120的连接边缘处薄弱处出现分离失效。

环形法兰140的侧端面142开设的6个梯形的凹槽144便于成型过程中熔融的塑料流入，从而利用凹槽144内凝固的塑料固定金属瓶口120避免其沿周向运动，保证高压复合气瓶使用时金属瓶口120不会产生周向滑转，从而提高高压复合气瓶使用过程中的抗疲劳性能。

在其他可选的实施例中，塑料筒身110还可以使用质量比为70：30、75：25、80：20、85：15、90：10的高密度聚乙烯与高密度聚乙烯接枝马来酸酐；在其他可选的实施例中，阳极氧化处理还可以为硫酸阳极氧化处理；在其他可选的实施例中，硅烷偶联剂还以选用氨基硅烷偶联剂或乙烯基硅烷偶联剂；在其他可选的实施例中，金属瓶口120的环形法兰140外壁开设的凹槽144数量还可以为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个或8个；在其他可选的实施例中，加热杆的加热温度还可以为150℃、180℃、200℃、230℃、250℃、280℃、300℃、320℃、340℃、350℃或上述温度之间的任一温度；在其他可选的实施例中，加压胀形处理时的充气压力还可以为0.5Mpa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3.5MPa、4.5MPa、5MPa或上述压力之间的任一压力；在其他可选的实施例中，保压时间还可以为100s、120s、150s、180s、200s、240s、280s、300s、360s、420s、450s、480s、500s、540s、600s或上述时间之间的任一时间；在其他可选的实施例中，真空吸塑时的真空度还可以为0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa、0.09MPa或上述压力之间的任一压力；在其他可选的实施例中，塑料筒身110还可以使用注射吹塑、注射拉伸吹塑或滚塑成型制备得到；在其他可选的实施例中，超声波处理的频率还可以为15kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz或上述频率之间的任一频率；在其他可选的实施例中，功率还可以为500W、1000W、2000W、2500W、3000W或上述功率之间的任一功率。

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。