CN103421278A - 一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法，属于海洋环境用固体浮力材料领域，可用于海洋潜标、海上钻井平台、各种深潜器、海底空间站等。包括以下重量组分：环氧树脂100；增韧改性剂0～20；固化剂10～80；催化剂0.5～5；分散剂0.2～10；微米级空心玻璃微珠10～200；毫米级空心玻璃球10～150；偶联剂0.2～5。将精确称量的上述原料加入捏合机中，加热至80～100℃，并匀速搅拌，30分钟后即得到混合料；取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。本发明用于解决固体浮力材料密度较大的问题，提高固体浮力材料的净浮力。

Description

一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法

技术领域

本发明属于海洋环境用固体浮力材料技术领域，涉及一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法。

背景技术

固体浮力材料是一种由无机填充材料填充到有机高分子中，经化学反应得到的固态化合物。固体浮力材料已广泛应用于海底空间站复合材料结构件、深水管道布放浮体、有缆遥控水下机器人(R0V)、无缆水下机器人(AUV)，系泊浮筒，声多卜勒流速剖面仪(ADCP)平台、海上钻井平台、各种深潜器、海底空间站等多个领域。该材料具有密度小、耐腐蚀、吸水率低（不大于1%）、机械强度高、耐冲击性能优、可实施机械加工及表面处理等特点，固体浮力材料在实际使用时，为了获得更大浮力，要求材料的密度越低越好，同时为了能在更深的水下工作，要求材料具有较高的强度。而固体浮力材料的密度和抗压强度指标是完全对立的，是矛盾的统一体。如何把这对矛盾有机结合起来是研究制造固体浮力材料的关键技术。

现有的专利技术通常采用玻璃微珠增强环氧树脂来制造浮力材料。

专利CN 102030887A陈江等人公开了一种可加工固体浮力材料及其制备方法，该增强材料玻璃微珠规格型号为K15、K20、K22、K25、K37、S32、S38、S38HS、K45、S60，固体浮力材料的密度为0.38～0.70 g/cm³、耐静水压为5～80MPa、潜水深度为450～7200m；专利CN 102585443A陈俊英等人公开了一种轻质高强浮力材料及其制备方法，其增强材料选用粒径为70～115微米空心玻璃微珠或者空心陶瓷微珠，固体浮力材料的密度在0.45～0.70 g/cm³之间、耐压强度在50～90MPa之间，复合深海通用型材料要求。

专利CN 1844236A陈先等人公开了一种深海可加工固体浮力材料及其制备方法，增强材料为直径20～120微米的陶瓷和/或玻璃微珠，可用于5800m深海。

由于固体浮力材料通常采用玻璃微珠增强环氧树脂制作，国内浮力材料增强用玻璃微珠一味选用直径在10～150微米的空心玻璃微珠或者空心陶瓷微珠，至使浮力材料密度0.37～0.38 g/cm³成为浮力材料密度的极限，造成浮力材料可提供的净浮力减小，浮力材料结构尺寸增大，严重影响浮力材料性能的发挥。

发明内容

本发明针对玻璃微珠增强环氧浮力材料密度较大的问题，提出了采用毫米级空心玻璃球和微米级的空心玻璃微珠共混作为固体浮力材料的增强材料，提供一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法。可有效提高固体浮力材料的净浮力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低密度高强度固体浮力材料，其特征是：包括以下重量组分：

环氧树脂 100；增韧改性剂 0～20；固化剂 10～80；催化剂 0.5～5；分散剂 0.2～10；微米级空心玻璃微珠 10～200；毫米级空心玻璃球 10～150；偶联剂 0.2～5。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：包括以下重量组分：环氧树脂 100；增韧改性剂 3；固化剂 82；催化剂 1；分散剂 0.3；微米级空心玻璃微珠45；毫米级空心玻璃球 30；偶联剂 0.25。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的毫米级空心玻璃球，其粒径10～50mm；耐压强度2～25MPa；毫米级空心玻璃球的密度0.1～0.5 g/cm³。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的微米级空心玻璃微珠其粒径10～120微米；耐压强度1～70MPa；微米级空心玻璃微珠的密度0.1～0.5 g/cm³ 。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的毫米级空心玻璃球的填充量是20～100重量份，微米级空心玻璃微珠的填充量是20～120重量份。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的环氧树脂选用双酚A型、酚醛型或脂环族型；所述的增韧改性剂为液体丁腈橡胶或聚硫橡胶；所述的固化剂选用酸酐型或多元胺型；所述的分散剂采用高分子量不饱和聚羧酸与胺衍生物生成的盐,本发明优先选用分散剂dispers630。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的固化剂选用如甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐；所述的分散剂选用分散剂dispers630。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的偶联剂选有用硅烷偶联剂KH-550。

一种制备所述的低密度高强度固体浮力材料的方法：将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80～100℃，并匀速搅拌，30分钟后即得到混合料；取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。

根据所述的低密度高强度固体浮力材料的方法，其特征是：

包括以下重量组分：环氧树脂 100；增韧改性剂 3；固化剂 82；催化剂 1；分散剂 0.3；微米级空心玻璃微珠45；毫米级空心玻璃球 30；偶联剂 0.25；

将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80℃，并匀速搅拌， 30分钟后即得到混合料。取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块；固体浮力材料模块的密度为0.35 g/cm³、耐静水压为10.8MPa、吸水率小于1%。

本发明低密度高强度固体浮力材料及其制备方法，用于解决固体浮力材料密度较大的问题，本发明主要用于提高固体浮力材料的净浮力，推动固体浮力材料在海洋潜标、海上钻井平台、各种深潜器、海底空间站等多个领域的广泛应用。在保证承压和吸水率的前提下，有效降低固体浮力材料的密度。本发明低密度高强度固体浮力材料吸水率低，密度在0.30～0.65 g/cm³之间，承压在2～75MPa之间。本发明的固体浮力材料具有可加工性，可以采用车、刨、磨等各种机加工方法加工成各种形状。可用于海洋潜标、海上钻井平台、各种深潜器、海底空间站等多个领域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明一种低密度高强度固体浮力材料，所述固体浮力材料包括以下重量组分：

环氧树脂 100；增韧改性剂 0～20；固化剂 10～80；催化剂 0.5～5；分散剂 0.2～10；微米级空心玻璃微珠 10～200；毫米级空心玻璃球 10～150；偶联剂 0.2～5。

将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80～100℃，并匀速搅拌，30分钟后即得到混合料；取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。固体浮力材料模块较优的性能为密度为0.35 g/cm³、耐静水压为10.8MPa、吸水率小于1%。

本发明毫米级空心玻璃球、微米级空心玻璃微珠的选择是制造高性能浮力材料的关键，毫米级空心玻璃球、微米级的玻璃微珠为球形，具有表面光滑，孔隙率低、吸收树脂少、有很好的流动性等优点。与不规则形状或粒料相比，所造成的应力集中现象少，可提高材料的刚性、硬度和尺寸稳定性。

国内外毫米级空心玻璃球、微米级的玻璃微珠的主要包括Expancel公司的DE551和DE551-120；Zeelan Industries公司的 Z-Light W-1000；Emerson & Cuming公司生产空心玻璃球和玻璃微珠系列；3M公司的 Scotchlite K-系列和S-系列；Philadelphia Quartz公司的Q-Cel 650和Q-Cel 300。

本发明优选高强度低密度毫米级空心玻璃球，其粒径一般在10～50mm、耐压强度在2～25MPa之间，空心玻璃球的密度在0.1～0.5 g/cm³ 之间不等，微米级的空心玻璃微珠其粒径一般在10～120微米、耐压强度在1～70MPa之间，空心玻璃微珠的密度在0.1～0.5 g/cm³ 之间不等，可根据需要进行选择。

毫米级空心玻璃球和微米级空心玻璃微珠均匀分布在增韧改性的环氧树脂中，其中毫米级空心玻璃球的填充量一般是10～150份，优选用量是20～100份，微米级的玻璃微珠的填充量一般是10～200份，优选用量是20～120份。

本发明所述的环氧树脂可选用双酚A型、酚醛型、脂环族型等。由于制备的浮力材料密度低，又具有高的耐静水压性能，因此，采用增韧改性剂对环氧树脂进行改性，本发明采用的增韧改性剂可以为液体丁腈橡胶或聚硫橡胶等。

本发明所述的固化剂是与环氧树脂配套的。固化剂要求在较高的温度条件下具有良好的流动性和较好的适用期。这主要是因为空心玻璃球和玻璃微珠在较高的温度下才能较均匀的混合，有序分布。另外，固化剂本身应具有较低的粘度，以利于增加填充量。环氧树脂的固化剂可选用酸酐型、多元胺型等，如甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐等。

本发明所述的分散剂在于减弱空心玻璃球、空心玻璃微珠之间的相互作用，增加了微珠在环氧树脂中的浸润性和分散稳定性，以达到较为均匀的分散状态。本发明的分散剂主要采用高分子量不饱和聚羧酸与胺衍生物生成的盐,本发明优先选用分散剂dispers630。

本发明所述的偶联剂是对空心玻璃球和玻璃微珠进行表面处理，空心玻璃球和玻璃微珠为无机物，环氧树脂为有机物，在制备浮力材料时，直接共混，二者界面粘接性不好。为了改善空心玻璃球、玻璃微珠与环氧树脂界面的粘接强度，使其更好的分散于树脂中，降低材料的缺陷度，从而提高浮力材料的耐压强度。本发明优选用硅烷偶联剂KH-550。

低密度高强度固体浮力材料的制备方法为：将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80～100℃，并匀速搅拌，约30分钟后即得到混合料。取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。

本发明的固体浮力材料具有可加工性，可以采用车、刨、磨等各种机加工方法加工成各种形状。可用于海洋潜标、海上钻井平台、各种深潜器、海底空间站等多个领域。

实施例

环氧树脂 100；增韧改性剂 3；固化剂 82；催化剂1；分散剂 0.3；微米级空心玻璃微珠 45；毫米级空心玻璃球 30；偶联剂 0.25。

其制备方法为：将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80℃，并匀速搅拌，约30分钟后即得到混合料。取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。固体浮力材料模块的密度为0.35 g/cm³、耐静水压为10.8MPa、吸水率小于1%。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低密度高强度固体浮力材料，其特征是：包括以下重量组分：

环氧树脂 100；增韧改性剂 0～20；固化剂 10～80；催化剂 0.5～5；分散剂 0.2～10；微米级空心玻璃微珠 10～200；毫米级空心玻璃球 10～150；偶联剂 0.2～5。

2.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：包括以下重量组分：环氧树脂 100；增韧改性剂 3；固化剂 82；催化剂 1；分散剂 0.3；微米级空心玻璃微珠45；毫米级空心玻璃球 30；偶联剂 0.25。

3.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的毫米级空心玻璃球，其粒径10～50mm；耐压强度2～25MPa；毫米级空心玻璃球的密度0.1～0.5 g/cm³。

4.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的微米级空心玻璃微珠其粒径10～120微米；耐压强度1～70MPa；微米级空心玻璃微珠的密度0.1～0.5 g/cm³ 。

5.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的毫米级空心玻璃球的填充量是20～100重量份，微米级空心玻璃微珠的填充量是20～120重量份。

6.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的环氧树脂选用双酚A型、酚醛型或脂环族型；所述的增韧改性剂为液体丁腈橡胶或聚硫橡胶；所述的固化剂选用酸酐型或多元胺型；所述的分散剂采用高分子量不饱和聚羧酸与胺衍生物生成的盐,本发明优先选用分散剂dispers630。

7.根据权利要求6所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的固化剂选用如甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐；所述的分散剂选用分散剂dispers630。

8.根据权利要求1所述的低密度高强度固体浮力材料，其特征是：所述的偶联剂选有用硅烷偶联剂KH-550。

9.一种制备权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的低密度高强度固体浮力材料的方法：将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80～100℃，并匀速搅拌，30分钟后即得到混合料；取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块。

10.根据权利要求9所述的低密度高强度固体浮力材料的方法，其特征是：

包括以下重量组分：环氧树脂 100；增韧改性剂 3；固化剂 82；催化剂 1；分散剂 0.3；微米级空心玻璃微珠45；毫米级空心玻璃球 30；偶联剂 0.25；

将精确称量的上述环氧树脂、增韧改性剂、固化剂、催化剂、分散剂、偶联剂、空心玻璃球和玻璃微珠加入捏合机中，加热至80℃，并匀速搅拌， 30分钟后即得到混合料。取出混合均匀的混合料放入模具中，压实，置于压力固化机上，加压加热，以及放气，固化一定时间后定型，制得浮力材料标准模块；固体浮力材料模块的密度为0.35 g/cm³、耐静水压为10.8MPa、吸水率小于1%。