CN105037789A - 一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法 - Google Patents

一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法 Download PDF

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本发明涉及一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法。它以蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为复合空心球的球形内核，在该球形内核外表面从里到外均匀包覆多层纤维增强树脂混合物，至小球达到目标密度，所述纤维增强树脂混合物由液态环氧树脂、胺类固化剂及增强纤维混合构成，所述复合空心球的公称直径为2.0-50.0mm，壁厚为0.5-2.5mm，密度为100–？600kg/m3。本发明的空心球原料简单，其制备工艺简单、操作方便，得到的空心球可与人工复合泡沫树脂结合制成复合浮力材料应用于水下设备，特别是用于立管浮力模块。

Description

一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料空心球技术领域，具体涉及一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法。
背景技术
人工复合泡沫树脂作为浮力板材应用于水下设备（如ROV和AUV等）已经有相当长的历史。然而它的密度和比强度（强度除以密度）等性能不能满足深海石油钻井和生产设备的要求。在合成泡沫塑料中加入复合空心球可以大幅度降低材料的密度并有效保持其强度，使其适合于钻井立管浮力材料，分布式浮力材料，绝热和抗冲击材料等应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种纤维增强树脂复合材料空心球及其制备方法。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于以蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为复合空心球的球形内核，在该球形内核外表面从里到外均匀包覆多层纤维增强树脂混合物，至小球达到目标密度，所述纤维增强树脂混合物由液态环氧树脂、胺类固化剂及增强纤维混合构成，所述复合空心小球的公称直径为2.0-50.0mm，壁厚为0.5-2.5mm，密度为100–600kg/m3。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于每层纤维增强树脂混合物的厚度为5–40μm。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于每层的纤维增强树脂混合物中，液态环氧树脂与胺类固化剂的比投料质量比为5-10:1，混合后能在30-70°C温度下在15-40分钟内固化。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述胺类固化剂包括TETA、TEPA或IPD。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述增强纤维为碳纤维，碳纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.1–0.5。
所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述增强纤维为硅灰石纤维或玻璃纤维，硅灰石纤维或玻璃纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.2–0.6。
所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将滚筒升温至30–70°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为5-100rpm；
2）按投料比将液态环氧树脂与胺类固化剂预先混合均匀得到混合液，再将该混合液加入步骤1）的滚筒内，在滚筒的运转过程中均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，随后加入对应量的增强纤维，使其均匀附着于小球表面，进行固化；
3）重复步骤2），直至聚苯乙烯小球达到目标密度100–600kg/m3。
所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于所述滚筒与地面的倾斜角度为15–30°。
所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于步骤2）中在混合液加完后1-10分钟，再加增强纤维。
所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于步骤2）固化温度为30-70°C，固化时间为15-40分钟。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明的空心小球选用蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球作用球形内核，通过在聚苯乙烯小球外表面包覆若干层由液态环氧树脂、胺类固化剂及增加纤维材料得到，其原料组份简单、而且液态环氧树脂和胺类固化剂按限定的比例，能保证其在30-70°C温度下在15-40分钟完成固化；
2）本发明采用滚筒法制备，其可以采用包衣机或混凝土搅拌机制备，对设备要求低，将滚筒内的温度设在30-70°C，能避免温度过高使聚苯乙烯泡沫小球软化收缩；
3）本发明制备工艺简单、操作方便，直接在聚苯乙烯小球外依次分层加入液态环氧树脂和胺类固化剂的混合液，间隔一定时间后加入增加纤维，使其固化即可，重复多次，在多层固化结束后，取出测试其密度，密度达到目标密度时即可，本发明的转速低、制备工艺简单，得到的空心小球可与合成泡沫塑料结合制成复合浮力材料应用于水下设备，特别是立管浮力模块。
附图说明
图1为本发明的复合材料空心球的横截面示意图；
图2为本发明的玻璃纤维空心球与碳纤维空心球的静水压强度性能曲线。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明：
本发明的一种纤维增强树脂复合材料空心球，以蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为复合空心球的球形内核，在该球形内核外表面从里到外均匀包覆多层纤维增强树脂混合物，至小球达到目标密度，所述纤维增强树脂混合物由液态环氧树脂、胺类固化剂及增强纤维混合构成，所述胺类固化剂可以选用TETA、TEPA或IPD，所述增强纤维可以选用碳纤维、硅灰石纤维或玻璃纤维，得到的复合材料空心球的公称直径为2.0-50.0mm，壁厚为0.5-2.5mm，密度为100–600kg/m3，其特征在于每层纤维增强树脂混合物的厚度为5–40μm，液态环氧树脂与胺类固化剂的比投料质量比为5-10:1，所述增强纤维为碳纤维，碳纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.1–0.5，所述增强纤维为硅灰石纤维或玻璃纤维，硅灰石纤维或玻璃纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.2–0.6。
实施例1：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为2KG，TETA为0.4KG，碳纤维3KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为15°的滚筒升温至35°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为100rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与TETA混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，1分钟后加入碳纤维，使其均匀附着于小球表面，在35°进行固化45分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，其公称直径为35mm，壁厚为0.5mm。
实施例2：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为5KG，TEPA为0.5KG，硅灰石纤维5KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为30°的滚筒升温至70°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为10rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与TEPA混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，5分钟后加入硅灰石纤维，使其均匀附着于小球表面，在70°进行固化15分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，公称直径为50.0mm，壁厚为2.5mm。
实施例3：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为3KG，IPD为0.5KG，玻璃纤维8KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为25°的滚筒升温至40°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为10rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与IPD混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，3分钟后加入玻璃纤维，使其均匀附着于小球表面，在40°进行固化30分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，公称直径为20.0mm，壁厚为1.5mm。
实施例4：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为4KG，IPD为0.6KG，碳纤维1KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为25°的滚筒升温至50°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为40rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与IPD混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，6分钟后加入碳纤维，使其均匀附着于小球表面，在50°进行固化25分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，公称直径为40.0mm，壁厚为2.0mm。
实施例5：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为3KG，TETA为0.3KG，硅灰石纤维10KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为25°的滚筒升温至40°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为10rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与TETA混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，8分钟后加入硅灰石纤维，使其均匀附着于小球表面，在40°进行固化35分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，公称直径为11.0mm，壁厚为1.3mm。
实施例6：纤维增强树脂复合材料空心球的制备
以1立方米蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为球形内核，每层液态环氧树脂重量为3KG，TEPA为0.5KG，玻璃纤维3KG，其制备过程如下：
将与地面的倾斜角度为25°的滚筒升温至60°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为10rpm，再将预先混合好的液态环氧树脂与TEPA混合液加入滚筒内均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，7分钟后加入玻璃纤维，使其均匀附着于小球表面，在60°进行固化20分钟；重复该包覆步骤多次，每固化3-5层后，将其取出，测其密度，直至测得的聚苯乙烯小球在目标密度100–600kg/m3范围之内，公称直径为2.0mm，壁厚为0.5mm。
如图1所示，为本发明的复合材料空心球的截面图，本发明得到的复合材料空心球的公称直径为2.0-50.0毫米，壁厚为0.5到2.5毫米，密度100–600kg/m3。
如图2所示，在静水压下，用碳纤维作为球壁增强体的空心球的比强度比用玻璃或硅灰石纤维作为球壁增强体的空心球高，即：1）在相同强度下，碳纤维空心球的密度比玻璃或硅灰石纤维空心球的密度低；2）在相同密度下，碳纤维空心球的强度比玻璃或硅灰石纤维空心球的强度高，然而，由于原材料昂贵，碳纤维空心球的成本比玻璃或硅灰石纤维空心球的成本高许多，所以碳纤维一般用在少数对强度或密度要求较高的情况下。

Claims (10)

1.一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于以蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球为复合材料空心球的球形内核，在该球形内核外表面从里到外均匀包覆多层纤维增强树脂混合物，至空心球达到目标密度，所述纤维增强树脂混合物由液态环氧树脂、胺类固化剂及增强纤维混合构成，所述复合空心球的公称直径为2.0-50.0mm，壁厚为0.5-2.5mm，密度为100–600kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于每层纤维增强树脂混合物的厚度为5-40μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于每层的纤维增强树脂混合物中，液态环氧树脂与胺类固化剂的投料质量比为5-10:1。
4.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述胺类固化剂包括TETA、TEPA或IPD。
5.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述增强纤维为碳纤维，碳纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.1–0.5。
6.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强树脂复合材料空心球，其特征在于所述增强纤维为硅灰石纤维或玻璃纤维，硅灰石纤维或玻璃纤维在纤维增强树脂混合物中的体积分数为0.2-0.6。
7.一种根据权利要求1所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将滚筒升温至30–70°C，蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯小球传输到滚筒内，其转速控制为5-100rpm；
2）按投料比将液态环氧树脂与胺类固化剂预先混合均匀得到混合液，再将该混合液加入步骤1）的滚筒内，在滚筒的运转过程中均匀在包覆在聚苯乙烯小球表面，随后加入对应量的增强纤维，使其均匀附着于小球表面，进行固化；
3）重复步骤2），直至聚苯乙烯小球达到目标密度100–600kg/m3。
8.根据权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于所述滚筒与地面的倾斜角度为15–30°。
9.根据权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于步骤2）中在混合液加完后1-10分钟，再加增强纤维。
10.根据权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料空心球的制备方法，其特征在于步骤2）固化温度为30-70°C，固化时间为15-40分钟。
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