一种智能监控玄武岩纤维气瓶

摘要

本发明公开了一种智能监控玄武岩纤维气瓶，包括内胆、玄武岩纤维缠绕层、防护层和感应装置组件，其中，玄武岩纤维缠绕层设置于内胆外表面，防护层设置于玄武岩纤维缠绕层外表面，感应装置组件分布于内胆表面和/或玄武岩纤维缠绕层与防护层之间。采用价格低廉，性能优异的玄武岩纤维为增强材料，以高韧高强的缠绕树脂体系为基体，在复材层植入智能感应监控体系，实现了气瓶压力的智能监控。

权利要求

1.一种智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：包括内胆、玄武岩纤维缠绕层、防护层和感应装置组件，其中，玄武岩纤维缠绕层设置于内胆外表面，防护层设置于玄武岩纤维缠绕层外表面，玄武岩纤维缠绕层为玄武岩纤维与缠绕树脂复合后缠绕于内胆外表面固化而成；

感应装置组件分布于内胆表面和/或玄武岩纤维缠绕层与防护层之间；所述感应装置的厚度不超过3mm，耐温性不低于100℃，感应装置的信号线通过气瓶的瓶底或瓶口引出，感应装置分布于筒体部位和气瓶肩部；

所述内胆为金属内胆或塑料内胆；

金属内胆的材质选自铝合金、镁合金或钛合金；

塑料内胆的材质选自聚酰胺、改性聚酰胺、聚乙烯或改性聚乙烯；

内胆厚度为1mm‑5mm，内胆容积范围为3L‑60L；

所述智能监控玄武岩纤维气瓶的制备方法为：在内胆外表面粘贴感应装置，使其均匀分布于筒体和瓶肩部位；

以内胆为芯模，将浸渍有缠绕树脂的玄武岩纤维缠绕于内胆外表面，形成缠绕层，在固化后缠绕层外表面粘贴感应装置，均匀分布在筒体和瓶肩部位；或，直接在缠绕层外表面粘贴感应装置后，再对缠绕层进行固化；

最后制备防护层。

2.根据权利要求1所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述塑料内胆的材质改性聚酰胺。

3.根据权利要求1所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述感应装置选自光纤、光栅、磁栅或应变片中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述缠绕树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或聚氨酯中的一种或几种；

内胆筒体部位的玄武岩纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层交替设置而成；

内胆两端椭圆端面的玄武岩缠绕层为螺旋缠绕层。

5.根据权利要求1所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述防护层为树脂胶层或树脂与纤维的复合层。

6.根据权利要求5所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述树脂选自丙烯酸树脂、环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂或聚氨酯的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的智能监控玄武岩纤维气瓶，其特征在于：所述纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维。

说明书

一种智能监控玄武岩纤维气瓶

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料压力容器制备技术领域，具体涉及一种智能监控玄武岩纤维气瓶及其制备方法。

背景技术

[0002] 这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

[0003] 随着压力容器技术的发展，压力容器逐渐由金属材料结构向复合材料结构过渡。主要分为Ⅰ型（全金属气瓶）、Ⅱ型（金属内胆直筒段缠绕纤维）、Ⅲ型（金属内胆全缠绕纤维）、Ⅳ型（塑料内胆全缠绕纤维）等。目前，Ⅰ型和Ⅱ型由于重量大、承压低，影响了它们的使用范围。Ⅲ型和Ⅳ型气瓶承压高、重量轻，制备技术逐渐成熟，正处于大力推广阶段。

[0004] 在Ⅲ型和Ⅳ型气瓶的制备材料中，内胆主要采用铝合金、聚酰胺和聚乙烯等。而缠绕增强纤维主要有碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等，树脂基体主要有环氧树脂、不饱和聚酯和聚氨酯等。

[0005] 其中，碳纤维虽然性能优异，但价格较高，影响其大范围使用；玻璃纤维强度低、密度大、价格低廉，一般用于要求不高的制品。而玄武岩纤维强度略低于碳纤维，但高于一般的玻璃纤维和芳纶纤维，且具有良好的耐腐蚀性能，热稳定性，价格适中，是理想的增强材料。

[0006] 随着新型高压气瓶的开发，工作压力越来越高，危险性也逐步增大，而目前的气瓶难以实现对气瓶内压力的监测。

发明内容

[0007] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种智能监控玄武岩纤维气瓶及其制备方法。采用价格低廉，性能优异的玄武岩纤维为增强材料，以高韧高强的缠绕树脂体系为基体，在复材层植入智能感应监控体系，实现了气瓶压力的智能监控。

[0008] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

[0009] 第一方面，本发明提供一种智能监控玄武岩纤维气瓶，包括内胆、玄武岩纤维缠绕层、防护层和感应装置组件，其中，

[0010] 玄武岩纤维缠绕层设置于内胆外表面，防护层设置于玄武岩纤维缠绕层外表面，感应装置组件分布于内胆表面和/或玄武岩纤维缠绕层与防护层之间。

[0011] 在一些实施例中，所述内胆为金属内胆或塑料内胆。

[0012] 金属内胆是由椭圆曲面尾部、筒体部分、椭圆曲面颈部以及瓶口依次光滑无缝连接而成，该瓶口内设置内螺纹。塑料内胆采用滚塑、吹塑、注塑等其中一种或多种工艺制备而成，各部分允许焊接成型，瓶口处含有金属件，金属件与内胆镶嵌粘接为一体，保证瓶口与阀门的密封性。

[0013] 进一步的，金属内胆的材质选自铝合金、镁合金或钛合金。

[0014] 进一步的，塑料内胆的材质选自聚酰胺、改性聚酰胺、聚乙烯或改性聚乙烯，优选为改性聚酰胺。

[0015] 更进一步的，内胆厚度为1mm‑5mm，内胆容积范围为3L‑60L。

[0016] 在一些实施例中，感应装置的信号线通过气瓶的瓶底或瓶口引出。

[0017] 进一步的，感应装置分布于筒体部位和气瓶肩部。筒体和肩部部位一般是应力最大位置，对气瓶形变最敏感。

[0018] 气瓶肩部为气瓶筒体部分与气瓶椭圆曲面部分结合处。

[0019] 进一步的，所述感应装置选自光纤、光栅、磁栅或应变片中的一种或多种。感应装置的厚度不超过3mm，耐温性不低于100℃。

[0020] 在一些实施例中，玄武岩纤维缠绕层为玄武岩纤维与缠绕树脂复合后缠绕于内胆外表面固化而成。

[0021] 进一步的，所述缠绕树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或聚氨酯中的一种2
或几种。缠绕树脂断裂伸长率在4%‑8%，拉伸强度不低于60MPa，冲击强度不低于20KJ/m。

[0022] 进一步的，内胆筒体部位的玄武岩纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层交替设置而成。交替缠绕的目的是为了使气瓶纵向应力和环向应力分布更均横。

[0023] 进一步的，内胆两端椭圆端面的玄武岩缠绕层为螺旋缠绕层。

[0024] 在一些实施例中，所述防护层为树脂胶层或树脂与纤维的复合层。

[0025] 进一步的，所述防护层树脂选自丙烯酸树脂、环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂或聚氨酯的一种或多种。

[0026] 进一步的，所述防护层纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维。

[0027] 第二方面，本发明提供所述智能监控玄武岩纤维气瓶的制备方法，包括如下步骤：

[0028] 在内胆外表面粘贴感应装置，使其均匀分布于筒体和瓶肩部位；

[0029] 以内胆为芯模，将浸渍有缠绕树脂的玄武岩纤维缠绕于内胆外表面，形成缠绕层，在固化后缠绕层外表面粘贴感应装置，均匀分布在筒体和瓶肩部位；或，直接在缠绕层外表面粘贴感应装置后，再对缠绕层进行固化；

[0030] 最后制备防护层。

[0031] 在一些实施例中，浸渍有缠绕树脂的玄武岩纤维在内胆的筒体部位采用环向和螺旋交替缠绕的方式制备缠绕层。

[0032] 在一些实施例中，防护层的制备为直接涂刷树脂固化得到防护层，或缠绕复合有树脂的纤维制备而成防护层。

[0033] 进一步的，防护层的厚度为0.2mm‑2mm。

[0034] 本发明的以上一种或多种实施例取得的有益效果如下：

[0035] 采用价格低廉，性能优异的玄武岩纤维为增强材料，以高韧高强的缠绕树脂体系为基体，在复材层植入智能感应监控体系，实现了气瓶压力的智能监控。

附图说明

[0036] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0037] 图1是本发明实施例1制备的气瓶的结构示意图；

[0038] 图2是本发明实施例2制备的气瓶的结构示意图；

[0039] 图3是本发明实施例3制备的气瓶的结构示意图。

[0040] 图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

[0041] 其中，1‑内胆，2‑缠绕层，3‑防护层，4‑1‑内胆表面的感应装置，4‑2‑缠绕层与防护层之间的感应装置，5‑信号线，6‑信号线集束，7‑尾顶，8‑瓶嘴。

具体实施方式

[0042] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0043] 实施例1（结合图1）

[0044] 步骤1：首先将光纤光栅应变片（型号ANKO‑FBG‑S01）均匀粘接于6.8L铝合金内胆1表面，分布范围为从内胆1一端离瓶肩三分之一处的曲面位置起至另一端离瓶肩三分之一的曲面位置，应变片间隔10‑15cm。信号线5紧贴内胆1表面，由尾顶7中间孔引出信号线集束6。

[0045] 步骤2：将玄武岩纤维固定于张力器上，将纤维穿过浸胶槽，浸渍环氧树脂缠绕树脂体系，通过4轴缠绕机按照设定程序进行缠绕，其中环向缠绕与螺旋缠绕交替进行，总厚度为12mm，两者厚度比接近2:1，形成缠绕层2。

[0046] 步骤3：将缠绕后的气瓶沥干余胶后，放入旋转固化炉进行旋转固化，固化工艺为100℃/2h+150℃/3h。

[0047] 步骤4：将缠绕层2表面打磨光滑后，粘贴光纤光栅应变片（型号ANKO‑FBG‑S01），其布局与方法和步骤1相同。

[0048] 步骤5：在应变片表面涂刷一层环氧树脂涂料，厚度约0.5mm‑1mm，形成防护层3。

[0049] 实施例2（结合图2）

[0050] 步骤1：首先将电阻应变片（型号BX120‑20AA）均匀粘接于20L尼龙塑料内胆1表面，分布范围为从内胆1一端离瓶肩三分之一处的曲面位置起至另一端离瓶肩三分之一的曲面位置，应变片间隔15‑20cm。信号线5紧贴内胆1表面由瓶嘴7引出。塑料内胆需要提前进行充气，充气压力约0.3MPa‑0.5MPa。该压力直至步骤5结束后放出。

[0051] 步骤2：将玄武岩纤维固定于张力器上，将纤维穿过浸胶槽，浸渍环氧树脂缠绕树脂体系，通过4轴缠绕机按照设定程序进行缠绕，其中环向缠绕与螺旋缠绕交替进行，总厚度为15mm，两者厚度比接近2.5:1，形成缠绕层2。

[0052] 步骤3：将缠绕后的气瓶沥干余胶后，放入旋转固化炉进行旋转固化，固化工艺为80℃/2h+120℃/3h。

[0053] 步骤4：将缠绕层2表面打磨光滑后，粘贴应变片（型号BX120‑20AA），其布局与方法和步骤1相同。

[0054] 步骤5：在4‑2表面继续缠绕两层浸渍过室温固化环氧树脂的玻璃纤维，其中环向与螺旋向纤维各1层，总厚度约1mm‑1.5mm，形成防护层3。

[0055] 实施例3（结合图3）

[0056] 步骤1：首先将电阻应变片4‑1（型号BF350‑3AA）均匀粘接于35L铝合金内胆1表面，分布范围为从内胆1一端离瓶肩二分之一处的曲面位置起至另一端离瓶肩二分之一的曲面位置，应变片间隔20cm‑25cm。信号线5紧贴内胆1表面由瓶嘴引出集束为信号线6。

[0057] 步骤2：将玄武岩纤维固定于张力器上，将纤维穿过浸胶槽，浸渍不饱和树脂缠绕树脂体系，通过4轴缠绕机按照设定程序进行缠绕，其中环向缠绕与螺旋缠绕交替进行，总厚度为18mm，两者厚度比接近2:1，形成缠绕层2。

[0058] 步骤3：将缠绕后的气瓶沥干余胶后，放入旋转固化炉进行旋转固化，固化工艺为90℃/2h+150℃/3h。

[0059] 步骤4：将缠绕层2表面打磨光滑后，粘贴应变片（型号BF350‑3AA），其布局与方法和步骤1相同。

[0060] 步骤5：在4‑2表面继续涂刷聚氨酯清漆，总厚度约0.5mm‑1mm，形成防护层3。

[0061] 以上实施案例主要为了说明该发明内容中涉及的内胆包含金属内胆和塑料内胆，涉及的气瓶型式包含S型（双口瓶）、T型（单口瓶），涉及的气瓶承压范围及用途不限。

[0062] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。