專利名稱：一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料低溫液氧容器的基本技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末至90年代初，最早是美國為了發(fā)展高性能航天器而開發(fā)的。與傳統(tǒng)的全金屬材料液氧容器相比，聚合物基復(fù)合材料低溫液氧容器具有重量輕、承壓高、爆破前泄漏的安全失效模式等諸多優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料低溫液氧容器的這些優(yōu)勢使其未來將大量的應(yīng)用于各工業(yè)部門以氫氧燃料電池為動力的清潔能源汽車成為了未來清潔能源交通的發(fā)展趨勢；煉鋼需要大量的氧氣；移動醫(yī)用供氧站、航天低溫推進(jìn)系統(tǒng)等行業(yè)對液氧需求量巨大。液化氣體的儲運(yùn)是最為高效、安全的手段。如果采用金屬材料，加上復(fù)雜的絕熱層結(jié)構(gòu)，將會使容器重量明顯增大，從而降低了儲運(yùn)效率，復(fù)合材料液氧容器與傳統(tǒng)金屬容器的減重優(yōu)勢，對于30m3的復(fù)合材料儲罐可以降低10%的整體重量，一般汽車重量每減少10%，燃油消耗可降低6% 8%，燃油經(jīng)濟(jì)性的提高明顯。因此發(fā)展復(fù)合材料液氧容器成為了降低碳排放、提高儲運(yùn)效率的有效手段。但是液氧具有強(qiáng)烈的助燃、氧化作用，當(dāng)材料在液氧環(huán)境下當(dāng)受到?jīng)_擊、摩擦等外部介質(zhì)作用時會產(chǎn)生爆炸、燃燒等劇烈反應(yīng)的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生這類現(xiàn)象的材料稱為液氧不相容材料，不發(fā)生反應(yīng)則為液氧相容性。液氧容器在使用過程中要經(jīng)歷液氧充放過程，外殼結(jié)構(gòu)難免會接觸到液氧，因此從安全考慮所有所有液氧容器的外殼結(jié)構(gòu)材料都必須具有良好的液氧相容性。對于樹脂基復(fù)合材料的液氧相容性主要由樹脂基體所決定，因此首先要保證樹脂基體具有良好的液氧相容性，而采用現(xiàn)有的樹脂基復(fù)合材料制備液氧容器的液氧相容性差。目前通用的聚合物，只有少數(shù)全氟聚合物能夠滿足液氧相容性的要求。但是采用全氟聚合物制備液氧容器成型困難，提高了制備成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要解決現(xiàn)有的樹脂基復(fù)合材料制備液氧容器的液氧相容性差，或者采用全氟聚合物制備液氧容器成型困難的問題，而提供一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法和使用方法。一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料按重量份數(shù)由5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并噁嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑制備而成。一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、稱量首先按重量份數(shù)稱量5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并噁嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑；二、制備氰酸脂預(yù)聚體在120°C 160°C下將步驟一稱取的5 100份氰酸脂進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，預(yù)聚反應(yīng)時間為4h 6h，即得到氰酸脂預(yù)聚體；三、共融在60°C 90°C下將步驟一稱取的5 100份環(huán)氧樹脂和步驟一稱取的5 100份苯并噁嗪樹脂熔融共混，得到環(huán)氧/苯并噁嗪膠液；四、制備膠液首先將步驟二制備的氰酸脂預(yù)聚體溶解于步驟一稱取的20 100份溶劑中，然后在25°C 120°C下加入到步驟三制備的環(huán)氧/苯并噁嗪膠液中，再在25°C 100°C下加入步驟一稱取的10 100份助劑，混勻后即得到膠液，即為用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料。一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的使用方法，具體是按以下步驟完成的首先在溫度為25°C 60°C條件下將碳纖維T300、碳纖維1700、碳纖維T1000、無堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、長線纖維、短線纖維、纖維布或無紡布浸入用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料中進(jìn)行浸膠處理，然后采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合進(jìn)行成型處理，再采用梯度升溫固化方法依次在100°C下固化處理60min 120min、140°C下固化處理60min和180°C下固化處理60min 120min,且梯度升溫的升溫速率為10°C /min，最后在180°C 220°C進(jìn)行熱處理IOmin 30min，即得到液氧容器。 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)一、按照ASTM D2512評判本發(fā)明制備的液氧容器，通過檢測可知采用本發(fā)明制備用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料制成的液氧容器無爆炸、燃燒、閃光等明顯反應(yīng)；二、本發(fā)明采用用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料(一種膠液)制備液氧容器，并采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合，降低了成型難度；三、采用本發(fā)明的聚合物基復(fù)合材料(一種膠液)制備的液氧容器能夠滿足< 183°C下使用要求。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式是一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料，按重量份數(shù)由5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并噁嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑制備而成。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是所述的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅環(huán)氧樹脂；所述的苯并噁嗪樹脂為苯胺型苯并噁嗪樹脂或MDA型苯并噁嗪樹脂；所述的氰酸脂為雙酚A氰酸脂或雙酚F氰酸脂；所述的溶劑為丙酮、甲苯、乙醇或長鏈脂肪族烴；所述的助劑按重量份數(shù)由I 100份無機(jī)填料、I 100份增韌劑、I 20份抗氧化劑、I 40份阻燃劑和0. 5 10份促進(jìn)劑混合而成。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)是所述的無機(jī)填料選自硅微粉、氧化鋁粉、氧化鈣粉、碳酸鈣粉、石棉粉、長石粉、云母粉和銻白粉；所述的增韌劑選自丁腈橡膠、聚硫橡膠、端羥基聚丁二烯、聚氨酯彈性體、聚脲、液晶環(huán)氧、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺和聚苯醚；所述的抗氧化劑為金屬離子螯合物、磷酸鹽；所述的阻燃劑為氫氧化鋁、氫氧化鎂、鹵系阻燃劑；所述的促進(jìn)劑為咪唑、2-乙基4-甲基咪唑、I-甲基咪唑或有機(jī)金屬絡(luò)合物。其它與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，具體是按以下步驟完成的—、稱量首先按重量份數(shù)稱量5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并B惡嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑；二、制備氰酸脂預(yù)聚體在120°C 160°C下將步驟一稱取的5 100份氰酸脂進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，預(yù)聚反應(yīng)時間為4h 6h，即得到氰酸脂預(yù)聚體；三、共融在60°C 90°C下將步驟一稱取的5 100份環(huán)氧樹脂和步驟一稱取的5 100份苯并噁嗪樹脂熔融共混，得到環(huán)氧/苯并噁嗪膠液；四、制備膠液首先將步驟二制備的氰酸脂預(yù)聚體溶解于步驟一稱取的20 100份溶劑中，然后在25°C 120°C下加入到步驟三制備的環(huán)氧/苯并噁嗪膠液中，再在25°C 100°C下加入步驟一稱取的10 100份助劑，混勻后即得到膠液，即為用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)是步驟一中所述的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅環(huán)氧樹脂；步驟一中所述的苯并噁嗪樹脂為苯胺型苯并噁嗪樹脂或MDA型苯并噁嗪樹脂；步驟一中所述的氰酸脂為雙酚A氰酸脂或雙酚F氰酸脂；步驟一中所述的溶劑為丙酮、甲苯、乙醇或長鏈脂肪族烴；步驟一中所述的助劑按重量份數(shù)由I 100份無機(jī)填料、I 100份增韌劑、I 20份抗氧化劑、I 40份阻燃劑和I 10份促進(jìn)劑混合而成。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五的不同點(diǎn)是所述的無機(jī)填料選自硅微粉、氧化鋁粉、氧化鈣粉、碳酸鈣粉、石棉粉、長石粉、云母粉和銻白粉；所述的增韌劑選自丁腈橡膠、聚硫橡膠、端羥基聚丁二烯、聚氨酯彈性體、聚脲、液晶環(huán)氧、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺和聚苯醚；所述的抗氧化劑為金屬離子螯合物、磷酸鹽；所述的阻燃劑為氫氧化鋁、氫氧化鎂、鹵系阻燃劑；所述的促進(jìn)劑為咪唑、2-乙基4-甲基咪唑、I-甲基咪唑或有機(jī)金屬絡(luò)合物。其它與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式是一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的使用方法，具體是按以下步驟完成的首先在溫度為25°C 60°C條件下將碳纖維T300、碳纖維T700、碳纖維T1000、無堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、長線纖維、短線纖維、纖維布或無紡布浸入具體實(shí)施方式
一所述的用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料中進(jìn)行浸膠處理，然后采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合進(jìn)行成型處理，再采用梯度升溫固化方法依次在100°C下固化處理60min 120min、140°C下固化處理60min和180°C下固化處理60min 120min，且梯度升溫的升溫速率為10°C /min，最后在180°C 220°C進(jìn)行熱處理IOmin 30min,即得到液氧容器。按照ASTM D2512評判本實(shí)施方式制備的液氧容器，通過檢測可知采用本實(shí)施方式制備用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料制成的液氧容器無爆炸、燃燒、閃光等明顯反應(yīng)。本實(shí)施方式采用用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料(一種膠液)制備液氧容器，并采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合，降低了成型難度。本實(shí)施方式采用用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料(一種膠液)制備的液氧容器能夠滿足< 183 °C下使用要求。采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果試驗(yàn)一采用用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備液氧容器，具體是按以下步驟完成的一、稱量首先按重量份數(shù)稱量50份環(huán)氧樹脂、50份苯并噁嗪樹脂、50份氰酸脂、50份溶劑和25份助劑；二、制備氰酸脂預(yù)聚體在140°C下將步驟一稱取的50份氰酸脂進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，預(yù)聚反應(yīng)時間為4h 6h,即得到氰酸脂預(yù)聚體；三、共融在60°C 90°C下將步驟一稱取的50份環(huán)氧樹脂和步驟一稱取的50份苯并噁嗪樹脂熔融共混，得到環(huán)氧/苯并噁嗪膠液；四、制備膠液首先將步驟二制備的氰酸脂預(yù)聚體溶解于步驟一稱取的50份溶劑中，然后在25V 120°C下加入步驟三制備的環(huán)氧/苯并噁嗪膠液中，再在25V 100°C下加入步驟一稱取的25份助劑，混勻后即得到膠液，即為用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料；五、成型首先在溫度為40°C條件下將無紡布浸入步驟四制備的用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料中進(jìn)行浸膠處理，然后采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合進(jìn)行成型處理，再采用梯度升溫固化方法依次在100°C下固化處理90min、140°C下固化處理60min和180°C下固化處理90min，且梯度升溫的升溫速率為10°C /min，最后在200°C進(jìn)行熱處理20min，即得到液氧容器。本試驗(yàn)步驟一中所述的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚環(huán)氧樹脂；本試驗(yàn)步驟一中所述的苯并噁嗪樹脂為苯胺型苯并噁嗪樹脂；步驟一中所述的氰酸脂為雙酚A氰酸脂；本試驗(yàn)步驟一中所述的溶劑為丙酮；本試驗(yàn)步驟一中所述的助劑按重量份數(shù)由9. 3份無機(jī)填料、9. 3 份增韌劑、I. 8份抗氧化劑、3. 6份阻燃劑和I份促進(jìn)劑混合而成，其中所述的無機(jī)填料為硅微粉，其中所述的增韌劑為丁腈橡膠，其中所述的抗氧化劑為磷酸鉀，其中所述的阻燃劑為氫氧化鋁，其中所述的促進(jìn)劑為2-乙基4-甲基咪唑。采用真空袋熱壓罐成型工藝制備復(fù)雜構(gòu)件，首先將浸膠處理的無紡布用真空袋密封在模具上，然后置于熱壓釜中，熱壓釜內(nèi)壓力保持在0. 3 0. 6MPa，然后依次經(jīng)過梯度升溫固化和熱處理即得到復(fù)雜構(gòu)件。采用手糊成型方法和纏繞成型方法制備桶形、圓形、半圓形等無負(fù)曲面的構(gòu)件，對于浸膠處理的無紡布纏繞張力控制在0. 5N 50N之間逐層纏繞，或者手糊成型方法將本試驗(yàn)步驟四制備的用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料直接手糊到浸膠處理的無紡布上，然后依次經(jīng)過梯度升溫固化和熱處理即得到桶形、圓形、半圓形等無負(fù)曲面的構(gòu)件。按照ASTM D2512評判本試驗(yàn)制備的液氧容器，通過檢測可知采用本試驗(yàn)制備用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料制成的液氧容器無爆炸、燃燒、閃光等明顯反應(yīng)。本試驗(yàn)采用用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料(一種膠液)制備液氧容器，并采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合，降低了成型難度。
權(quán)利要求
1.一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料按重量份數(shù)由5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并噁嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅環(huán)氧樹脂；所述的苯并噁嗪樹脂為苯胺型苯并噁嗪樹脂或MDA型苯并噁嗪樹脂；所述的氰酸脂為雙酚A氰酸脂或雙酚F氰酸脂；所述的溶劑為丙酮、甲苯、乙醇或長鏈脂肪族烴；所述的助劑按重量份數(shù)由I 100份無機(jī)填料、I 100份增韌劑、I 20份抗氧化劑、I 40份阻燃劑和I 10份促進(jìn)劑混合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料，其特征在于所述的無機(jī)填料選自硅微粉、氧化鋁粉、氧化鈣粉、碳酸鈣粉、石棉粉、長石粉、云母粉和銻白粉；所述的增韌劑選自丁腈橡膠、聚硫橡膠、端羥基聚丁二烯、聚氨酯彈性體、聚脲、液晶環(huán)氧、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺和聚苯醚；所述的抗氧化劑為金屬離子螯合物、磷酸鹽；所述的阻燃劑為氫氧化鋁、氫氧化鎂、鹵系阻燃劑；所述的促進(jìn)劑為咪唑、2-乙基4-甲基咪唑、I-甲基咪唑或有機(jī)金屬絡(luò)合物。
4.如權(quán)利要求I所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟完成的 一、稱量首先按重量份數(shù)稱量5 100份環(huán)氧樹脂、5 100份苯并噁嗪樹脂、5 100份氰酸脂、20 100份溶劑和10 100份助劑；二、制備氰酸脂預(yù)聚體在120°C 160°C下將步驟一稱取的5 100份氰酸脂進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，預(yù)聚反應(yīng)時間為4h 6h，即得到氰酸脂預(yù)聚體；三、共融在60°C 90°C下將步驟一稱取的5 100份環(huán)氧樹脂和步驟一稱取的5 100份苯并噁嗪樹脂熔融共混，得到環(huán)氧/苯并噁嗪膠液；四、制備膠液首先將步驟二制備的氰酸脂預(yù)聚體溶解于步驟一稱取的20 100份溶劑中，然后在25°C 120°C下加入到步驟三制備的環(huán)氧/苯并噁嗪膠液中，再在25°C 100°C下加入步驟一稱取的10 100份助劑，混勻后即得到膠液，即為用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅環(huán)氧樹脂；步驟一中所述的苯并噁嗪樹脂為苯胺型苯并噁嗪樹脂或MDA型苯并噁嗪樹脂；步驟一中所述的氰酸脂為雙酚A氰酸脂或雙酚F氰酸脂；步驟一中所述的溶劑為丙酮、甲苯、乙醇或長鏈脂肪族烴；步驟一中所述的助劑按重量份數(shù)由I 100份無機(jī)填料、I 100份增韌劑、I 20份抗氧化劑、I 40份阻燃劑和I 10份促進(jìn)劑混合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的無機(jī)填料選自硅微粉、氧化鋁粉、氧化鈣粉、碳酸鈣粉、石棉粉、長石粉、云母粉和銻白粉；所述的增韌劑選自丁腈橡膠、聚硫橡膠、端羥基聚丁二烯、聚氨酯彈性體、聚脲、液晶環(huán)氧、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺和聚苯醚；所述的抗氧化劑為金屬離子螯合物、磷酸鹽；所述的阻燃劑為氫氧化鋁、氫氧化鎂、鹵系阻燃劑；所述的促進(jìn)劑為咪唑、2-乙基4-甲基咪唑、I-甲基咪唑或有機(jī)金屬絡(luò)合物。
7.如權(quán)利要求I所述的一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的使用方法，其特征在于用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料的使用方法是按以下步驟完成的首先在溫度為25°C 60°C條件下將碳纖維T300、碳纖維1700、碳纖維T1000、無堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、長線纖維、短線纖維、纖維布或無紡布浸入權(quán)利要求I所述的用于液氧壓力容器的聚合物基復(fù)合材料中進(jìn)行浸膠處理，然后采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合進(jìn)行成型處理，再采用梯度升溫固化方法依次在100°C下固化處理60min 120min、140°C下固化處理60min和180°C下固化處理60min 120min,且梯度升溫的升溫速率為8°C /min 12°C /min，最后在180°C 220°C進(jìn)行熱處理IOmin 30m in，即得到液氧容器。
全文摘要
一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法和使用方法，它涉及一種聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明目的是要解決現(xiàn)有的樹脂基復(fù)合材料制備液氧容器的液氧相容性差，或者采用全氟聚合物制備液氧容器成型困難的問題。一種用于液氧容器的聚合物基復(fù)合材料由環(huán)氧樹脂、苯并噁嗪樹脂、氰酸脂、溶劑和助劑制備而成。制備方法一、稱量，二、制備氰酸脂預(yù)聚體，三、熔融共混得到環(huán)氧/苯并噁嗪膠液，四、制備膠液。使用方法首先進(jìn)行浸膠處理，然后采用纏繞成型方法、真空袋熱壓罐成型方法和手糊成型方法相結(jié)合進(jìn)行成型處理，再采用梯度升溫固化方法進(jìn)行固化處理，最后進(jìn)行熱處理，即得到液氧容器。本發(fā)明主要用于制備液氧容器。
文檔編號C08K7/06GK102643516SQ20121012425
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者劉文博, 張劍光, 張辰威, 徐忠海, 揚(yáng)帆, 王榮國, 矯維成, 赫曉東, 郝立峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)