[發(fā)明專利]一種Ⅳ型氣瓶用的碳纖維復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010460393.X
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111484706B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈曉龍;齊鵬飛;黎何豐;羅錦濤;燕吉強;還獻(xiàn)華;楊小平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K7/06;C08J5/04;B29C70/34;B29C35/08;C08G59/62;C08G59/68;C08G14/073
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

本發(fā)明涉及一種Ⅳ型復(fù)合材料氣瓶用高性能樹脂基體及其制備方法?；谛行钦婵帐綌嚢璧某?xì)度混合原理，通過對主體樹脂進(jìn)行增韌改性得到環(huán)氧樹脂預(yù)聚物，有效提高了樹脂基體的韌性；通過加入活性稀釋劑降低了樹脂基體的粘度，提高了樹脂基體的加工性能；選用低粘度腰果酚改性胺類固化劑與咪唑類離子液體促進(jìn)劑來調(diào)節(jié)樹脂體系的適用期和固化反應(yīng)活性，進(jìn)一步調(diào)控樹脂體系的剛韌性和交聯(lián)密度分布以提高樹脂基體的綜合性能；通過調(diào)整主體樹脂、活性稀釋劑，增韌組分、固化劑及促進(jìn)劑之間的配合比，制備了一種低黏度、高韌性、可中低溫快速固化、耐熱性能優(yōu)異、綜合力學(xué)性能優(yōu)異的IV型復(fù)合材料氣瓶用高性能樹脂基體，解決了目前復(fù)合材料氣瓶用樹脂體系斷裂伸長率低、韌性差、固化溫度高、成型周期長等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，主要涉及一種Ⅳ型復(fù)合材料氣瓶用高性能樹脂基體及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因具有高強、高模、質(zhì)輕等優(yōu)異性能，在航空航天等國防尖端領(lǐng)域以及石油化工等民用方面都有著重要的應(yīng)用，尤其是在以氣瓶為代表的壓力容器方面的應(yīng)用更是迅速。近年來，隨著以氫能源為代表的新能源汽車的發(fā)展，國外70MPa儲氫復(fù)合材料氣瓶已經(jīng)進(jìn)入示范使用階段。美國、加拿大均已成功研制70MPa車載纖維纏繞高壓氫氣瓶，處于國際領(lǐng)先地位，而且創(chuàng)新性的研制出了塑料內(nèi)襯第Ⅳ代復(fù)合材料氣瓶，憑借碳纖維強化塑料層的創(chuàng)新實現(xiàn)輕量化，實現(xiàn)世界頂級水平的質(zhì)量儲氫密度5.7wt％。而我國目前主要停留在35MPa第Ⅲ代金屬內(nèi)襯復(fù)合材料的研制生產(chǎn)，塑料內(nèi)襯IV型氣瓶的研究較少，較國外70MPa第Ⅳ代塑料內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的研制水平差距較大。不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料氣瓶，IV型復(fù)合材料氣瓶由于其內(nèi)膽為塑料，125℃以上的固化溫度會導(dǎo)致內(nèi)襯變形破壞，只能采用中低溫固化。而且IV型氣瓶有更高的工作壓力(70MPa)，對樹脂體系的力學(xué)性能以及工藝性有更高的要求，同時氣瓶快速充放氣所導(dǎo)致的溫差對樹脂的耐溫性能也提出了更高的要求。

目前國內(nèi)外用于復(fù)合材料氣瓶纏繞的樹脂主要為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂體系力學(xué)性能優(yōu)異，適用期長、被大量應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料氣瓶的生產(chǎn)加工。中國專利(申請?zhí)?01610601236.X)公開了一種用于纖維纏繞的環(huán)氧樹脂組合物及其制備方法，澆注體拉伸強度可達(dá)到70MPa，彎曲強度大于105MPa，但其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度僅為115℃，而且需要高溫長時間固化(140℃/12h)。Zhou W等人(Zhou W,Qi S,Ai T,et al.Toughened epoxy resinmatrix for a membrane shell by wet filament winding[J].Journal of AppliedPolymer Science,2009,111(1):255-263.)用反應(yīng)性增韌劑和甲基六氫鄰苯二甲酸酐作為固化劑制備了增韌的環(huán)氧樹脂基體，具有良好的工藝性和機械性能，實現(xiàn)了高達(dá)86.7％的纖維強度轉(zhuǎn)化率，但其固化溫度過高，固化時間較長，導(dǎo)致其工業(yè)應(yīng)用價值較低。魏程等人(魏程,李剛,王梓橋,等.低成本中溫固化濕法纏繞用樹脂基體及其國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料[J].纖維復(fù)合材料,2017,34:3-8)制備了一種適合國產(chǎn)T700碳纖維濕法纏繞用的低成本環(huán)氧樹脂基體，其澆注體拉伸強度可達(dá)到90MPa，彎曲強度大于130MPa，但是其斷裂伸長率僅為2.2％，Tg僅為130℃(固化溫度最高需要144℃)，反應(yīng)出樹脂體系的韌性與耐溫性能較差。對于樹脂基體的增韌改性，研究最多的就是加入核殼橡膠、納米粒子等實現(xiàn)增韌目的，通常采用超聲輔助攪拌將納米粒子等分散于樹脂基體中，但是納米粒子的大比表面積很容易在添加量過高時出現(xiàn)團聚，而且超聲輔助攪拌對于大批量的樹脂制備操作困難，很難實現(xiàn)宏量穩(wěn)定分散。

總體來看，目前報導(dǎo)的碳纖維復(fù)合材料IV氣瓶用纏繞樹脂基體存在的問題有以下幾方面：1、樹脂體系的整體性能較差，主要有斷裂伸長率較低，韌性偏低，適用期等工藝性差等問題；2、中低溫固化條件下樹脂體系的耐熱性能不佳，耐熱性與中低溫固化不能同時實現(xiàn)。3、采用傳統(tǒng)熱固化方式成型，固化溫度高，時間長，不能實現(xiàn)快速成型。因此，為了滿足IV型氣瓶纏繞樹的脂體系需求，必須開發(fā)一種低粘度、長適用期、可中低溫快速固化且耐熱性能良好、力學(xué)性能優(yōu)異的IV型氣瓶用高性能樹脂基體。

發(fā)明內(nèi)容