CN101735566B - 可加工全海深浮力材料及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可加工全海深浮力材料及制造方法，它可以解决现有技术存在的难以制造11000米的可加工浮力材料的问题。技术方案为，浮力材料包括下述组份，按质量份计，预处理的基体环氧树脂100份，玻璃空心微珠170-220份，芳纶短纤维4-6份，硅烷偶联剂2-3份，固化剂40-75份。经实验表明，本发明的可加工全海深浮力材料服务水深能够达到11000米，材料的材质均匀一致，可以根据需要任意进行外形机械加工，且综合性能指标明显优于现有技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种可加工全海深浮力材料及制造方法，具体地说，涉及制作服务水深达到11000米的浮力材料的方法。
背景技术
浩瀚的海洋蕴藏着无数目前未知的奥秘，人类关于海洋资源、海洋环境、海洋生物的科考工作日益频繁，探测海域的深度不断加大，最深已达到世界上最深的马里亚纳海沟。
深海探测仪器的工作环境静水压力极高，以最深处马里亚纳海沟为例，其外压力约为110Mpa，相当于地球表面的1100倍。为了保证深海探测仪器的运行性能及安全回收，浮力材料的应用是必要的。目前，可加工浮力材料的最大服务水深为7000米，一种密度为0.37g/cm3左右的陶瓷球，其能够承受110Mpa的静水压力，但外形固定，不可加工，不能根据需要任意对外形加工，难于适应探测仪器运行性能的要求。
关于固体浮力材料的制造方法，国内外均有报道。但是对于制造服务水深为11000米的外形可加工浮力材料，上述方法不能完成。
发明内容
本发明提供了一种可加工全海深浮力材料及制造方法，它可以解决现有技术存在的难以制造11000米的浮力材料的问题。
为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案为，一种可加工全海深浮力材料，其特征在于：所述浮力材料包括下述组份，按质量份计，预处理的基体环氧树脂100份，玻璃空心微珠170-220份，芳纶短纤维4-6份，硅烷偶联剂2-3份，固化剂40-75份。
本发明还具有以下附加技术特征：
所述预处理的基体环氧树脂的预处理方法为：在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000份基体环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入400-600份的低分子量的环氧活性稀释剂，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合110-130分钟，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08～-0.10atm下保持50-70分钟，停止抽真空，放入空气，得到的混合物为预处理的基体环氧树脂，在常温常压下表现为粘稠液体；
所述基体环氧树脂为一个分子中含有三个或四个环氧基团的环氧树脂，具体为：三聚氰酸三缩水甘油环氧树脂，三酚基甲烷三缩水甘油醚环氧树脂，均苯三酚三缩水甘油醚环氧树脂，或1，1，2，2-四(对羟基苯基)乙烷四缩水甘油醚环氧树脂中的其中一种或几种。
所述固化剂为芳香胺固化剂，酸酐固化剂，或聚酰胺固化剂中的其中一种。
所述芳香胺固化剂为常温下是固态的二胺基二苯基甲烷或二胺基二苯基砜。
所述的酸酐固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐和/或甲基六氢邻苯二甲酸酐；
所述的聚酰胺固化剂为300#聚酰胺树脂。
所述的硅烷偶联剂为KH550或KH570中的至少一种。
所述芳纶短纤维是凯芙拉纤维，其长度范围为0.5-2mm。
所述低分子量的环氧活性稀释剂为环氧活性稀释剂BGE，或环氧活性稀释剂JX032中的至少一种。
所述玻璃空心微珠的粒径范围为5-100微米。
一种可加工全海深浮力材料的制造方法，所述方法按照以下步骤进行：
(1)配制浓度为0.05％-0.1％的氢氧化钠碱性溶液，将玻璃空心微珠倒入碱性溶液中漂洗1-2小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠至少3遍，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干，用热空气将粘在一起的微珠吹散，将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用；
(2)在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000份基体环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入400-600份的低分子量的环氧活性稀释剂，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合110-130分钟，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08～-0.10atm下保持50-70分钟，停止抽真空，放入空气，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体，处理好的液态混合树脂需要密闭保存；
(3)取100份预处理的基体环氧树脂，加入4-6份长度为0.5-2mm的凯芙拉纤维，2-3份硅烷偶联剂KH-550，用高剪切力的匀速搅拌器搅拌均匀，将170-220份处理的玻璃空心微珠分批加入树脂混合物中，将40-75份固化剂加入到混合好的物料中，搅拌均匀，将搅拌好的混合物料加入到模具中，用硫化机进行压制成型，保持施加的压力不变，利用硫化机的加热系统进行加热固化。
利用平板硫化机进行的保压固化工序中的压力应保持在15-20MPa。
由于浮力材料的材质均匀一致，可以任意进行外形机械加工。
本发明的可加工全海深浮力材料的制造方法，包括高性能基体环氧树脂的预处理；空心玻璃微珠的表面处理工艺；基体树脂与空心玻璃微珠的复合及固化成型工艺。并且通过具体实施例列举了三个全海深浮力材料的制造配方。
高性能基体环氧树脂的预处理：
本发明中采用的高性能基体环氧树脂为每个分子中含有三个或四个环氧基团的环氧树脂。采用这种环氧树脂的原因如下：首先，由于含有较多的环氧基团，在固化交联过程中能够形成紧密的网状结构，固化物的强度较高，更有利于作为支撑骨架结构。其次，分子间的紧密交联使得基体树脂材料固化后紧密地包覆在空心玻璃微珠周围，更有利于提高材料的整体强度。另外，选用的树脂结构对称，有利于固化物分子紧凑排列。
由于该高性能基体环氧树脂在常温常压下为固态，使用时非常不便。在基体环氧树脂的预处理工艺中，采用了带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器。首先将树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入低分子量的环氧活性稀释剂，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合2小时，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08～-0.1atm下保持一个小时，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体。
空心玻璃微珠的表面处理工艺
可加工浮力材料是用基体树脂材料与空心玻璃微珠复合而成，基体树脂比较粘稠，在填充了空心玻璃微珠后触变性明显提高，即流动性降低。通常使用的空心玻璃微珠表面非常光滑，与基体树脂材料复合过程中很容易发生滑动。当混合物料处于固化过程中时，微珠这种滑动会在材料内部留下间隙，随着混合物料固化成浮力材料，这种间隙也就变成了缺陷。
本发明中采用浓度为0.05％-0.1％的NaOH碱性溶液对玻璃微珠表面进行处理，玻璃微珠的表面在碱性条件下会发生侵蚀，使得原本光滑的表面变得凸凹不平，增加了玻璃微珠的比表面积，有利于基体树脂在玻璃微珠表面的附着。由于玻璃微珠的外壁较薄，采用的碱液浓度必须非常低。
另外，用碱液处理过的空心玻璃微珠必须清洗干净，本发明中采用去离子水清洗然后用乙醇清洗的办法。由于空心玻璃微珠的粒径小(5-100微米)，清洗后的微珠在烘干的过程中很容易粘在一起，此时若用搅拌的方法将粘在一起的微珠分散很容易使玻璃微珠的外壁破损，本发明中采用热空气吹散的方法可以有效地降低破损率。
基体树脂与空心玻璃微珠的复合及固化成型工艺
本发明中采用长度为0.5-2mm的芳纶纤维作为增强纤维，采用硅烷偶联剂来提高基体树脂与空心玻璃微珠之间及基体树脂与增强纤维之间的附着力。
本发明中固化成型工艺采用平板硫化机作为持续施压设备，与专利CN200810015375中使用螺杆相比，平板硫化机施加压力更高，压力达到20MPa。在制造全海深浮力材料时，混合物料的粘度极高，手工操作不能将混合物料压实。平板硫化机带有温控系统，操作方便，填料后可以马上进行压制成型然后进行保压固化工序。
采用本发明方法制造的浮力材料的材质由表及里均匀一致，所以可以根据需要任意进行外形加工。
具体实施方式
实施例1：本发明可加工全海深浮力材料及制造方法的实施例1按以下步骤进行。
步骤1：配制浓度为0.05％的氢氧化钠碱性溶液，将空心玻璃微珠倒入碱性溶液中漂洗2小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠4遍，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干。用热空气将粘在一起的微珠吹散。去少量微珠，用显微镜观察微珠表面状态。将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用。
步骤2：在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000克均苯三酚三缩水甘油醚环氧树脂加热到85℃-90℃，倒入500克的低分子量的环氧活性稀释剂BGE，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合2小时，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08atm下保持一个小时。放入空气，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体。预处理的基体环氧树脂需要密闭保存。
步骤3：取步骤2的100克预处理的基体环氧树脂，加入5克长度范围为0.5-2mm的凯芙拉纤维，2克硅烷偶联剂KH-550，用高剪切力的匀速搅拌器搅拌均匀，将步骤1的180克玻璃空心微珠分批加入树脂混合物中，将40克芳香胺固化剂二氨基二苯基甲烷加热到85-90℃，待固态二氨基二苯基甲烷全部熔解后，迅速加入到前面混合好的物料中，搅拌均匀。将搅拌好的混合物料加入到模具中。用平板硫化机进行压制成型，压力保持在15-20MPa，利用平板硫化机的加热系统进行加热固化。
在此实施例中固化工艺采用85℃固化3个小时，后固化工艺采用160℃固化4个小时。固化后脱模检测制得的聚合物基轻质耐压浮力材料性能如下表。
| 项目 | 单位 | 检测结果 |
| 外观 | ---- | 质地密实、无气孔 |
| 密度 | g/cm3 | 0.70 |
| 耐静水压 | MPa | 115 |
| 吸水率 | ％ | 115MPa下吸水率小于2％ |
| 服务水深 | 米 | 11000 |
实施例2
本发明可加工全海深浮力材料及制造方法的实施例2按以下步骤进行。
步骤1：配制浓度为0.08％的氢氧化钠碱性溶液，将空心玻璃微珠倒入碱性溶液中漂洗1小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠4遍以上，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干。用热空气将粘在一起的微珠吹散。用显微镜观察微珠表面状态。将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用。
步骤2：在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000克1，1，2，2-四(对羟基苯基)乙烷四缩水甘油醚环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入400克的低分子量的环氧活性稀释剂JX032，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合2小时，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.1atm下保持一个小时，停止抽真空，放入空气，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体。预处理的基体环氧树脂需要密闭保存。
步骤3：将100克步骤2预处理的基体环氧树脂，72克甲基四氢邻苯二甲酸酐MeTHPA加入容器中放入容器中，加入5克长度范围为0.2-1mm的凯芙拉尼龙纤维，3克硅烷偶联剂KH-570，搅拌均匀。将210克步骤1处理的玻璃空心微珠分两批加入树脂中，用高剪切力的匀速搅拌器搅拌均匀。将搅拌好的混合物料加入到模具中。用平板硫化机进行压制成型，压力保持在15-20MPa，利用平板硫化机的加热系统进行加热固化。
固化工艺为130℃固化3个小时，后固化工艺为150℃固化4个小时。固化后脱模检测制得的聚合物基轻质耐压浮力材料性能如下表。
| 项目 | 单位 | 检测结果 |
| 外观 | ---- | 质地密实、无气孔 |
| 密度 | g/cm3 | 0.71 |
| 耐静水压 | MPa | 115 |
| 吸水率 | ---- | 115MPa下吸水率小于2％ |
| 服务水深 | 米 | 11000 |
实施例3
本发明可加工全海深浮力材料及制造方法的实施例3按以下步骤进行。
步骤1：配制浓度为1％的氢氧化钠碱性溶液，将空心玻璃微珠倒入碱性溶液中漂洗1小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠4遍，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干。用热空气将粘在一起的微珠吹散。取少量微珠，用显微镜观察微珠表面状态。将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用。
步骤2：在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000克1，1，2，2-四(对羟基苯基)乙烷四缩水甘油醚环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入500克的低分子量的环氧活性稀释剂BGE，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合2小时，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.1atm下保持一个小时，停止抽真空，放入空气，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体。预处理的基体环氧树脂需要密闭保存。
步骤3：将100克步骤2预处理的液态混合树脂，65克300#聚酰胺固化剂加入容器中放入容器中，加入5克长度范围为0.5-2mm的凯芙拉纤维，3克硅烷偶联剂KH-550，搅拌均匀，将210克步骤1处理的玻璃空心微珠分两批加入树脂中，用高剪切力的匀速搅拌器搅拌均匀。将搅拌好的混合物料加入到模具中。用平板硫化机进行压制成型，压力保持在15-20MPa，利用平板硫化机的加热系统进行加热固化。
固化工艺为室温固化24个小时，后固化工艺为100℃固化4个小时。固化后脱模检测制得的全海深耐压浮力材料性能如下表。
| 项目 | 单位 | 检测结果 |
| 外观 | ---- | 质地密实、无气孔 |
| 密度 | g/cm3 | 0.69 |
| 耐静水压 | MPa | 110 |
| 吸水率 | ---- | 110MPa下吸水率小于2％ |
| 服务水深 | 米 | 11000 |
在上述实施例中，所述玻璃空心微珠的粒径范围为5-100微米。
通过上述测试表明，本发明的全海深浮力材料服务水深能够达到为11000米，且综合性能指标明显优于现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种可加工全海深浮力材料，其特征在于：所述浮力材料包括下述组份，按质量份计，预处理的基体环氧树脂100份，处理的玻璃空心微珠170-220份，芳纶短纤维4-6份，硅烷偶联剂2-3份，固化剂40-75份；
所述预处理的基体环氧树脂的预处理方法为：在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000份基体环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入400-600份的低分子量的环氧活性稀释剂，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合110-130分钟，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08～-0.10atm下保持50-70分钟，停止抽真空，放入空气，得到的混合物为预处理的基体环氧树脂，在常温常压下表现为粘稠液体；所述低分子量的环氧活性稀释剂为环氧活性稀释剂BGE，或环氧活性稀释剂JX032中的至少一种；
所述处理的玻璃空心微珠的方法为：配制浓度为0.05％-0.1％的氢氧化钠碱性溶液，将玻璃空心微珠倒入碱性溶液中漂洗1-2小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠至少3遍，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干，用热空气将粘在一起的微珠吹散，将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用；
所述芳纶短纤维是凯芙拉纤维，其长度范围为0.5-2mm；
所述基体环氧树脂为一个分子中含有三个或四个环氧基团的环氧树脂，具体为：三聚氰酸三缩水甘油环氧树脂，三酚基甲烷三缩水甘油醚环氧树脂，均苯三酚三缩水甘油醚环氧树脂，或1，1，2，2-四(对羟基苯基)乙烷四缩水甘油醚环氧树脂中的其中一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种可加工全海深浮力材料，其特征在于：所述固化剂为芳香胺固化剂，酸酐固化剂，或聚酰胺固化剂中的其中一种；
所述芳香胺固化剂为常温下为固态的二胺基二苯基甲烷或二胺基二苯基砜；
所述的酸酐固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐和/或甲基六氢邻苯二甲酸酐；
所述的聚酰胺固化剂为300#聚酰胺树脂。
3.根据权利要求1所述的一种可加工全海深浮力材料，其特征在于：所述的硅烷偶联剂为KH550或KH570中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种可加工全海深浮力材料，其特征在于：所述玻璃空心微珠的粒径范围为5-100微米。
5.一种可加工全海深浮力材料的制造方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：
(1)配制浓度为0.05％-0.1％的氢氧化钠碱性溶液，将玻璃空心微珠倒入碱性溶液中漂洗1-2小时，用去离子水清洗空心玻璃微珠至少3遍，用乙醇将空心玻璃微珠再清洗一遍，烘干，用热空气将粘在一起的微珠吹散，将处理好的空心玻璃微珠放在塑料袋中密闭保存备用；
(2)在带有加热系统和抽真空装置且能够搅拌的密闭容器中，将1000份基体环氧树脂加热到85℃-90℃，待固态树脂全部熔融，倒入400-600份的低分子量的环氧活性稀释剂，将温度控制在65℃-70℃充分搅拌混合110-130分钟，然后一边搅拌一边抽真空，真空度在-0.08～-0.10atm下保持50-70分钟，停止抽真空，放入空气，得到的混合物在常温常压下表现为粘稠液体，处理好的液态混合树脂需要密闭保存；所述低分子量的环氧活性稀释剂为环氧活性稀释剂BGE，或环氧活性稀释剂JX032中的至少一种；
(3)取100份预处理的基体环氧树脂，加入4-6份长度为0.5-2mm的凯芙拉纤维，2-3份硅烷偶联剂，用高剪切力的匀速搅拌器搅拌均匀，将170-220份处理过的玻璃空心微珠分批加入树脂混合物中，将40-75份固化剂加入到混合好的物料中，搅拌均匀，将搅拌好的混合物料加入到模具中，用硫化机进行压制成型，保持施加的压力不变，利用硫化机的加热系统进行加热固化；
所述基体环氧树脂为一个分子中含有三个或四个环氧基团的环氧树脂，具体为：三聚氰酸三缩水甘油环氧树脂，三酚基甲烷三缩水甘油醚环氧树脂，均苯三酚三缩水甘油醚环氧树脂，或1，1，2，2-四(对羟基苯基)乙烷四缩水甘油醚环氧树脂中的其中一种或几种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：利用平板硫化机进行的保压固化工序中的压力保持在15-20MPa。
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