一種碳纖維復合材料及其制備方法和槽罐技術

本發明專利技術公開了一種碳纖維復合材料，該碳纖維復合材料依次由金屬內層、局部增強層、增強層和外保護層組成。其中增強層優選使用大絲束碳纖維纏繞成型。本發明專利技術還公開了所述碳纖維復合材料的制備方法。本發明專利技術進一步公開了由所述碳纖維復合材料制備的槽罐，該槽罐可用于運載液體、粉末、氣體、漿狀物等物質。與傳統金屬槽罐相比，本發明專利技術的碳纖維復合材料槽罐較金屬槽罐減重50％以上；可以顯著提高槽罐車的運載能力，降低油耗及二氧化碳排放，具有提高運營利潤、減少環境污染的雙重效益。

【技術實現步驟摘要】
一種碳纖維復合材料及其制備方法和槽罐
本專利技術屬于復合材料
，具體涉及一種碳纖維復合材料及其制備方法和由 其制備的槽罐。
技術介紹
槽罐車是車體呈罐形的運輸車輛，用來裝運各種液體、液化氣體、粉末狀及漿狀貨 物等，這些貨物包括汽油、原油、各種粘油、植物油、液氨、酒精、水、各種酸堿類液體、水泥氧 化鉛粉等。槽罐車在運輸中占有很重要的地位，約占貨車總數的18%。現有槽罐車使用材 質主要以金屬為主,為保證槽罐車的運載能力，以鋼為材質的槽罐車,設計容量為11m3，額 定容量小于9. 6m3時，最小壁厚不得低于5mm(帶腐蝕附加量)，隨載重容量的增加，罐體壁 厚也隨之增加，這使得鋼材料運輸罐自重大，運載能力降低，能耗大。碳纖維復合材料具有強度高、比模量大、密度低、抗震動性好、抗疲勞性優越、環境 耐受性好、設計自由度大等諸多卓越性能。但是目前，碳纖維價格仍十分昂貴，使用高品質 碳纖維制造槽罐車將大大增加槽車的制造成本，經濟效益不明顯。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術提供一種輕質的、價格低的碳纖維復合材料。本專利技術還提供所述碳纖維復合材料的制備方法。本專利技術進一步提供由所述碳纖維復合材料制備的槽罐。本專利技術提供的碳纖維復合材料，其依次由金屬內層、局部增強層、增強層和外保護 層組成。根據碳纖維復合材料的不同用途，可以設計不同的厚度。例如，各層的厚度可以分 別為金屬內層I 5mm,局部增強層I 15mm,增強層I 20mm,外保護層I 5mm。所述金屬內層為鋼、鋁或硬質合金材料。所述局部增強層可以根據設計需要適當增加或刪減，其可以是由全碳纖維織物與 基體樹脂固化而成的復合材料；或者，也可以是局部例如幅面1/4-3/4部分使用碳纖維織 物與基體樹脂固化復合進行增強，其余的部分使用碳纖維織物、玻璃纖維氈、短切玻璃纖維 和/或短切碳纖維與基體樹脂固化復合進行增強的復合材料，其中碳纖維織物復合材料以 及其他纖維復合材料所占的比重可以根據本專利技術材料的不同用途來計算設定，例如，將本 專利技術的材料用于槽罐車時，可以根據槽罐的載重容量及相關需求計算設定。其中，所述碳纖維織物的使用形式為纖維氈、機織纖維布、針織纖維布、編織纖維 布、縫織纖維布、斜紋布、平紋布或單向布。所述增強層由長纖維浸潤基體樹脂后共同成型固化而成；或者，也可以由纖維預 浸帶固化而成；所述增強層中纖維含量為50% 90%。當將碳纖維復合材料制成筒狀時，該增強層可由長纖維浸潤基體樹脂后通過纏繞 共同成型固化而成；或者，也可以由纖維預浸帶纏繞固化而成。其中，所述長纖維或纖維預浸帶為碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、凱夫 拉纖維或其預浸帶。優選地，所述長纖維或纖維預浸帶為24K以上大絲束碳纖維或其預浸 帶。所述預浸帶是將纖維浸潰在基體材料中制成的預浸料片材產品，是復合材料的中 間材料，可市購獲得。纖維主要有碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維等。基體材料主要有 環氧樹脂、聚酯樹脂、熱可塑性樹脂等。本專利技術碳纖維復合材料的局部增強層和增強層中所用的基體樹脂為熱固性樹脂， 選自環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、乙烯基樹脂和酚醛樹脂 中的一種或多種。所述外保護層可以是膠衣層、耐磨涂料層或保溫層中的一種。本專利技術還提供一種制備上述碳纖維復合材料的方法，該方法包括如下步驟1)制 作金屬內層；2)通過鋪設、噴射或手糊方式在所述金屬內層外成型局部增強層；3)將帶有 局部增強層的金屬內層安裝于纏繞支架上，將長纖維或其預浸帶逐層纏繞于局部增強層 外，固化成型，形成增強層；4)在增強層外部使用噴涂或涂刷方式涂裝膠衣樹脂、耐磨涂料 或保溫材料形成外保護層。在本專利技術的一個實施方式中，步驟I)中可以進一步對金屬內層進行基底處理，包 括使用噴砂或鋼絲刷等對金屬內層表面進行打磨和去油處理。在本專利技術的一個實施方式中，步驟2)中可以根據設計需要在金屬內層外面局部 例如幅面1/4-3/4部分鋪覆碳纖維織物和基體樹脂，逐層鋪設并使用專用壓輥沿鋪設方向 趕壓氣泡，使鋪層緊致、密實且樹脂含量均勻；其他部分使用噴射或手糊方式將含有短切纖 維的樹脂膠液均勻涂覆于金屬內層上，形成局部增強層。在本專利技術的一個實施方式中，步驟3)可以將鋪設好局部增強層的金屬內層安裝 于纏繞支架上，并根據設計使用纏繞機將長纖維或其預浸帶以不同角度逐層纏繞于局部增 強層外，在壁厚達到設計強度需求時，結束纏繞，然后持續旋轉罐體，將多余樹脂刮除，對罐 體加熱使之固化成型，形成增強層。步驟3)中，纏繞時可以在金屬內層的內部施加氣壓，氣壓的范圍為0.15 O. 5Mpa。步驟3)中，將長纖維或其預浸帶按照一定的角度(例如2-20° )及層數(根據 用途需要，可以是多層)纏繞于局部增強層外；纏繞的方式可以采用螺旋纏繞、環向纏繞和 /或軸向纏繞；纏繞的同時施加I 200N張力、優選40-120N張力，來控制長纖維或其預浸 帶的基體樹脂含量及排布；控制所述基體樹脂含量在5% 60%的范圍內；優選地，控制所 述基體樹脂含量在10% 25%的范圍內。本專利技術進一步提供一種槽罐，其包括罐體，該罐體由本專利技術上述任一種碳纖維復 合材料制成，形成碳纖維復合材料槽罐。該槽罐還可以包括金屬嵌入件、輸送管路、注入口 和/或輸出口等部件。本專利技術的碳纖維復合材料槽罐可以為單室，也可以根據罐體長度及使用需要由內 隔板隔為多個相通的倉室，或由多個獨立的倉室拼裝而成。在罐體制作過程中，在增強層纏繞至1/3 2/3時，可以埋入罐體所需的金屬嵌入 件，例如槽罐支撐架、連接件、出入口連接法蘭等，然后繼續纏繞至纏繞結束。本專利技術的碳纖維復合材料槽罐可以用于運載易燃易爆的液體、氣體、粉體及漿狀 物，例如油和酒精等。本專利技術的有益效果如下(I)由本專利技術的碳纖維復合材料制成的槽罐充分利用了纖維尤其是碳纖維復合材 料優異的比強度(約為鋼的7倍)、比模量(約為鋼的2-3倍)等性能，不僅能夠提高罐體 的力學強度以及耐腐蝕的性能，在減少罐體金屬材料用量的同時，大大減輕槽罐的自重，碳 纖維復合材料槽罐較金屬槽罐減重50%以上；可以顯著提高槽罐車的運載能力，降低油耗 及二氧化碳排放，具有提高運營利潤,減少環境污染的雙重效益。(2)通過纏繞成型的增強層可使罐體具有極好的力學強度和密封性，降低了外力 破壞作用下罐體破裂的可能性，同時也減少了日常運輸過程中出現泄露和滲漏的幾率，具 有較高的安全性。(3)本專利技術的制備方法組合工藝簡單，生產周期短，能耗小，污染小，可有效的降低 生產成本，適用于工業化生產。(4)本專利技術使用的大絲束碳纖維，其力學性能良好且成本較低，與玻璃纖維等其他 類型纖維增強材料一同使用，可以大大降低槽罐車的制造成本，能實現復合材料槽車罐體 的工業化生產。附圖說明圖1是由碳纖維復合材料制成的罐體剖面圖2是槽罐的制造方法示意其中，1-內層，2-局部增強層，3-增強層，4-外保護層，5-纏繞旋轉支撐，6_罐體，7_纖 維或纖維預浸帶，8-纏繞機頭，9-紗錠。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步詳細說明。以下實施例用于說明本發 明，但不用來限制本專利技術的范圍。實施例1碳纖維復合材料槽罐及其制備方法1.如圖1所示，本實施例的槽罐的罐體由碳纖維復合材料制成，包括金屬內層1、 局本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳纖維復合材料，其特征在于，其依次由金屬內層、局部增強層、增強層和外保護層組成。

【技術特征摘要】
1.一種碳纖維復合材料，其特征在于，其依次由金屬內層、局部增強層、增強層和外保護層組成。2.根據權利要求1所述的碳纖維復合材料，其特征在于，所述金屬內層為鋼、鋁或硬質合金材料。3.根據權利要求1所述的碳纖維復合材料，其特征在于，所述局部增強層由碳纖維織物和基體樹脂固化而成；或者，所述局部增強層的幅面1/4-3/4部分由碳纖維織物和基體樹脂固化而成，其余的部分由碳纖維織物、玻璃纖維氈、短切玻璃纖維和/或短切碳纖維與基體樹脂固化而成。4.根據權利要求1所述的碳纖維復合材料，其特征在于，所述增強層由長纖維浸潤基體樹脂后共同成型固化而成；或者，由纖維預浸帶固化而成；所述增強層中纖維含量為 50% 90%。5.根據權利要求4所述的碳纖維復合材料，其特征在于，所述長纖維或纖維預浸帶為碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、凱夫拉纖維或其預浸帶；優選地，所述長纖維或纖維預浸帶為24K以上大絲束碳纖維或其預浸帶。6.根據權利要求3或4所述的碳纖維復合材料，其特征在于，所述基體樹脂為熱固性樹脂，選自環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來酰胺樹脂...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟秀青，田宇黎，高磊，孫曉光，楊剛，
申請(專利權)人：藍星北京化工機械有限公司，
類型：發明
國別省市：