CN103172306A - 一种水弹性模型材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水弹性模型材料及其制备方法，原料及其重量份数为：环氧树脂1份，金属钨粉或者炭化钨粉15～20份，玻璃纤维粉0.05～0.1份，增塑剂0.1～0.3份，固化剂0.2～0.25份。先将环氧树脂水浴5分钟，倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌；再加入增塑剂，搅拌；再加入钨粉或者炭化钨粉，继续搅拌；再加入固化剂，搅拌均匀后浇注到模具内，于室温固化，制得水弹性模型材料。该模型材料固化后的化学和力学性能稳定、沸点高、不易挥发、无刺激性气味，不受加热设备条件限制，可制成任何复杂形状，生产成本低。
Description
技术领域
本发明是关于水工水力学模型的，尤其涉及一种在水弹性模型试验中用于制造金属结构物的模型材料及其制备方法。
背景技术
在水弹性模型试验中，根据相似准则的要求，需要同时满足水力学相似和结构力学相似两个条件。实验室中所采用的流体介质通常与原型相同，即水，这就要求试验中的固体结构与原型具有相同的密度和按几何比尺缩小的弹性模量。这种条件对于大多数结构，特别是金属结构，要求是很苛刻的。因此，在20世纪70年代以前，水力学模型和结构力学模型一直是分别进行的，即通过水力学试验确定作用于结构上的荷载；通过结构力学试验确定结构的静、动力稳定性；再通过校核水力学结果和结构力学结果来复核结构是否安全。这种方法将水力学试验结果单向作用于结构上，并没有考虑结构对水流的反作用。20世纪70、80年代出现了水弹性模型，将水力学试验和结构力学试验统一起来进行。但由于当时没有水弹性模型材料，只能采用PVC材料制作变态水弹性模型，用增加材料的厚度近似满足模型的整体刚度相似，用在模型上增加质量块近似满足密度相似。随着工程实践对水弹性模型的要求不断提高，武汉理工大学和长江水利委员会长江科学院在2004年4月28日公开了一种水工闸门流激振动模型材料（专利号：ZL03125312.1），极大提高了水弹性模型试验技术；但该模型材料的制备工艺有待进一步改进。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种新的水弹性模型材料及其制备方法，该材料的密度与钢材一致，弹性模量满足模型试验比尺要求，固化时不需要加温加压，即不受加压和加温设备的限制，可以依模具制成任何复杂形状；同时也可满足水弹性模型试验水力学和结构力学相似的要求。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种水弹性模型材料，原料及其重量份数为：环氧树脂1份，重金属粉15～20份，玻璃纤维粉0.05～0.1份，增塑剂0.1～0.3份，固化剂0.2～0.25份；
所述重金属粉为密度调节材料，为金属钨粉或者炭化钨粉；
所述增塑剂为邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二正辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二乙酯或者邻苯二甲酸二异丁酯；
所述固化剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺或者四乙烯五胺；
该水弹性模型材料的制备方法，具有如下步骤为：
按照原料及其重量份数为：环氧树脂1份，重金属粉15～20份，玻璃纤维粉0.05～0.1份，增塑剂0.1～0.3份，固化剂0.2～0.25份；
（1）先将环氧树脂置于40℃～60℃的温水内水浴5～10分钟，然后倒入制备容器内；
（2）向步骤（1）的容器中加入玻璃纤维粉，搅拌至均匀为止；
（3）再向步骤（2）中加入增塑剂，搅拌至均匀为止；
（4）再向步骤（3）中加入重金属粉，搅拌至均匀为止；
（5）再向步骤（4）中加入固化剂，均匀搅拌10分钟；
（6）将步骤（5）搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于15℃～35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
所述环氧树脂为基底胶结材料，其产品型号为E-44或者E-51。
本发明的水弹性模型材料，其固化后的化学和力学性能稳定、沸点高、不易挥发、无刺激性气味。另外，该模型材料在室温条件下即可固化，不受加热设备条件的限制，可制成任何复杂形状，且在15℃～35℃的温度范围内，不因固化温度的不同而变化。另外，该模型材料的原料容易获得，制备工艺简单，也提高了产品性能，降低了生产成本。
具体实施方式
本发明所用原料均为常规的化学试剂；采用环氧树脂作为基底胶结材料，通过填加重金属粉来满足材料的密度要求，填加玻璃纤维粉末来满足材料的强度要求，填加增塑剂来满足材料对弹性模量的要求，环氧树脂的固化剂采用多胺类固化剂。
当采用水弹性模型材料模拟钢材，模型比尺为1:20时，要求模型材料的密度为7800kg/m3，弹性模量为10.5GPa，实施例1～4均可满足上述要求。.
实施例1
选用钨粉16份，E-44环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.06份，邻苯二甲酸二异壬酯0.25份，四乙烯五胺0.2份。
先将E-44环氧树脂置于40℃的温水内水浴5分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二异壬酯，搅拌均匀；再加钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂四乙烯五胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于15℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例2
选用钨粉17份，E-44环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.05份，邻苯二甲酸二丁酯0.2份，三乙烯四胺0.25份。
先将E-44环氧树脂置于60℃的温水内水浴10分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，搅拌均匀；再加钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂三乙烯四胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例3
选用碳化钨粉19份，E-44环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.1份，邻苯二甲酸丁苄酯0.2份，二乙烯三胺0.22份。
先将E-44环氧树脂置于50℃的温水内水浴8分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸丁苄酯，搅拌均匀；再加碳化钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂二乙烯三胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于25℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例4
选用碳化钨粉20份，E-44环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.1份，邻苯二甲酸二异癸酯0.3份，三乙烯四胺0.2份。
先将E-44环氧树脂置于30℃的温水内水浴6分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二异癸酯，搅拌均匀；再加碳化钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂三乙烯四胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于20℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
当采用水弹性模型材料模拟钢材，模型比尺为1:15时，要求模型材料的密度为7800kg/m3，弹性模量为14.0GPa，实施例5～8均可满足上述要求。
实施例5
选用钨粉15份，E-51环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.08份，邻苯二甲酸二正辛酯0.1份，四乙烯五胺0.22份。
先将E-51环氧树脂置于60℃的温水内水浴10分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二正辛酯，搅拌均匀；再加钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂四乙烯五胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例6
选用钨粉16份，E-51环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.1份，邻苯二甲酸二异辛酯0.11份，三乙烯四胺0.22份。
先将E-51环氧树脂置于60℃的温水内水浴10分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二异辛酯，搅拌均匀；再加钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂三乙烯四胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例7
选用碳化钨粉20份，E-51环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.1份，邻苯二甲酸二乙酯0.15份，二乙烯三胺0.24份。
先将E-51环氧树脂置于60℃的温水内水浴10分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二乙酯，搅拌均匀；再加碳化钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂二乙烯三胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
实施例8
选用碳化钨粉20份，E-51环氧树脂1份，玻璃纤维粉0.1份，邻苯二甲酸二异丁酯0.1份，三乙烯四胺0.25份。
先将E-51环氧树脂置于60℃的温水内水浴10分钟，然后倒入制备容器内；再向容器中加入玻璃纤维粉，搅拌均匀；再加入增塑剂邻苯二甲酸二异丁酯，搅拌均匀；再加碳化钨粉，搅拌均匀；再加入固化剂三乙烯四胺，均匀搅拌10分钟；再将搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
上述实施例在加入固化剂之前的各个步骤中，原料之间不发生化学反应，因此有充分的搅拌时间；且在这些步骤中，如果原料因为温度较低而变得粘稠，可以向搅拌原料的容器内加入温水，并可以加温，以增加原料的流动性。
Claims (2)
1.一种水弹性模型材料，原料及其重量份数为：环氧树脂1份，重金属粉15～20份，玻璃纤维粉0.05～0.1份，增塑剂0.1～0.3份，固化剂0.2～0.25份；
所述重金属粉为密度调节材料，为金属钨粉或者炭化钨粉；
所述增塑剂为邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二正辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二乙酯或者邻苯二甲酸二异丁酯；
所述固化剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺或者四乙烯五胺；
该水弹性模型材料的制备方法，具有如下步骤为：
按照原料及其重量份数为：环氧树脂1份，重金属粉15～20份，玻璃纤维粉0.05～0.1份，增塑剂0.1～0.3份，固化剂0.2～0.25份；
（1）先将环氧树脂置于40℃～60℃的温水内水浴5～10分钟，然后倒入制备容器内；
（2）向步骤（1）的容器中加入玻璃纤维粉，搅拌至均匀为止；
（3）再向步骤（2）中加入增塑剂，搅拌至均匀为止；
（4）再向步骤（3）中加入重金属粉，搅拌至均匀为止；
（5）再向步骤（4）中加入固化剂，均匀搅拌10分钟；
（6）将步骤（5）搅拌均匀的原料浇注到预制的模具内，于15℃～35℃的室温固化，制得水弹性模型材料。
2.根据权利要求1的一种水弹性模型材料，其特征在于，所述环氧树脂为基底胶结材料，其产品型号为E-44或者E-51。
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2013
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