CN106046412A - 以复合材料为球壁的空心球及制造该空心球的逐层包覆法 - Google Patents

以复合材料为球壁的空心球及制造该空心球的逐层包覆法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及应用于海洋工程（如钻井立管浮力模块，分布式浮力模块，深海采矿，超深水潜水器浮力块等）的空心球技术领域，具体为一种以复合材料为球壁的空心球以及及用于制造该空心球的逐层包覆法，包括球壁层，所述的球壁层内填充有空心玻璃微珠。本发明结构简单，实用性强。

Description

以复合材料为球壁的空心球及制造该空心球的逐层包覆法
技术领域
本发明涉及应用于海洋工程（如钻井立管浮力模块，分布式浮力模块，深海采矿，超深水潜水器浮力块等）的空心球技术领域，具体为一种以复合材料为球壁的空心球。
背景技术
现有的纤维（如碳纤维、玻璃纤维、针状硅灰石）增强型复合材料空心球，由于其球壁材料密度较大（1500–3000 kg/m3），限制了复合材料空心球本身的强度/密度比，如图1、图2或者图3所示，在同密度情况下，其强度上限为碳纤维复合空心球，下限为玻璃纤维或硅灰石复合空心球。该材料性能区间难以满足一些海洋工程中要求很高（即要求高强度下更低密度，或低密度下更高强度）的应用（如深海采矿，超深水潜水器浮力块等）。
同时，传统的空心球制造工艺在成型一个成品后，因其生产过程存在缺陷（其制造过程不存在产品的监控与监管），导致如果空心球的直径、壁厚、密度和静水压强未达到预设的值（客户所提供的参数指标或者实际生产的参数指标），那么该成品将会报废，进而导致报废率不断提高，工作效率不断降低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一方面提供一种强度/密度比更高、适用范围更广以复合材料为球壁的空心球，另一方面提供一种降低报废率、用于制造空心球的逐层包覆方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种以复合材料为球壁的空心球，包括球壁层，其特征在于：所述的球壁层内填充有空心玻璃微珠。
进一步，所述球壁层由热固性聚合物制成。
进一步，所述的热固性聚合物是热固性环氧树脂、热固性聚酰亚胺或热固性聚丙烯。
进一步，其直径为2– 60毫米，球壁层厚度为0.1– 5毫米，真密度为100–600 kg/m3，静水压强度为1– 60 MPa。
进一步，所述空心玻璃微珠的真密度为100–500 kg/m3，静水压强度为3–250 MPa，直径大小为10–100微米。
进一步，所述空心玻璃微珠的总体积与球壁层体积的比值为0.05–0.7。
进一步，所述球壁层的密度为350–1000 kg/m3，弹性模量为 2.0–15.0GPa。
一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，具体步骤如下：
a:在滚筒中加入蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯内球体；设置滚筒转速为5–100 rpm；
b:并将滚筒与内球体一起加热到30–70ºC；
c:将热固性聚合物与其固化剂的混合液洒入滚筒，在滚筒的运转中使混合液均匀包覆在内球体表面；随后加入对应量的空心玻璃微珠，在滚动过程中使均匀附着于内球体表面；
d:经一段时间外层物料固化形成复合材料外壳；
e:根据需要重复步骤c直至小球各性能指标达到目标值。
进一步，步骤c中每次包覆在内球体表面的厚度为10–100微米。
对比现有技术的不足，本发明提供的技术方案所带来的有益效果：1.相同型号的玻璃微珠复合空心球、碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球在相同密度的情况下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度明显优于碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的空心球强度，同时，玻璃微珠复合空心球有更高的强度/密度比，即在同等密度下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度更高；在同等强度下，玻璃微珠复合空心球的密度更低。由于这样的优点，玻璃微珠复合空心球可以应用于海洋工程中要求很高的应用，如深海采矿提升介质，超深水潜水器浮力块等。
2.通过玻璃微珠的填充，使得该空心球有更好的绝缘性能，可以应用于隔音、绝热的轻质建材；有更好的吸能、减震性能，可以应用于防冲击材料。
3.步骤c每次完成后，均对玻璃微珠复合空心球的性能指标（主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等）进行检测，如未满足生产所需以及客户所需，那么根据需要重复步骤c直至小球各性能指标达到目标值，再同时进行检测，直到满足生产所需以及客户所需，对玻璃微珠复合空心球的生产过程进行监控，降低了生产过程中造成的报废率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的实施例1所得的玻璃微珠复合空心球与相同型号的碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的对比图。
图3为本发明的实施例2所得的玻璃微珠复合空心球与相同型号的碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的对比图。
图4为本发明的实施例3所得的玻璃微珠复合空心球与相同型号的碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的对比图。
具体实施方式
参照图1对本发明做进一步说明,以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书揭露的内容轻易的了解本发明的其他优点及功效。
参照图1，须知，本说明书所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内；同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明的可实施的范畴。
以下将通过具体实施例来对本发明的以复合材料为球壁的空心球及用于制造该空心球的逐层包覆法进行详细的说明。
实施例1
如图1所示：一种以复合材料为球壁的空心球，包括球壁层1，所述的球壁层1内填充有空心玻璃微珠3。
进一步，所述的球壁层1由热固性聚合物制成。
进一步，所述的热固性聚合物可以是热固性环氧树脂、热固性聚酰亚胺或热固性聚丙烯。
进一步，该空心球的直径为2毫米，球壁层厚度为0.1毫米，真密度为100kg/m3，静水压强度为1MPa。
进一步，所述空心玻璃微珠3的真密度为100kg/m3，静水压强度为3MPa，直径大小为10微米。
进一步，所述空心玻璃微珠3的总体积与球壁层1体积的比值为0.05。
进一步，所述球壁层1的密度为350 kg/m3，弹性模量为 2.0GPa。
由图2得出：相同型号的玻璃微珠复合空心球、碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球在相同密度的情况下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度明显优于碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的空心球强度，同时，玻璃微珠复合空心球有更高的强度/密度比，即在同等密度下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度更高；在同等强度下，玻璃微珠复合空心球的密度更低。由于这样的优点，玻璃微珠复合空心球可以应用于海洋工程中要求很高的应用，如深海采矿提升介质，超深水潜水器浮力块等；通过玻璃微珠的填充，使得该空心球有更好的绝缘性能，可以应用于隔音、绝热的轻质建材；有更好的吸能、减震性能，可以应用于防冲击材料。
玻璃微珠复合空心球密度低、强度高、耐腐蚀，在海洋工程中有广泛应用，如浮力材料，海底采矿提升介质，轻质耐压填充物等。
一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，具体步骤如下：
a:在滚筒中加入蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯内球体(相当于模具，当加热温度大于70摄氏度，内球体消失)；设置滚筒转速为5rpm；
b:并将滚筒与内球体一起加热到30℃；
c:将热固性聚合物与其固化剂的混合液洒入滚筒，在滚筒的运转中使混合液均匀包覆在内球体表面；随后加入对应量的空心玻璃微珠3，在滚动过程中使均匀附着于内球体表面；
d:经一段时间外层物料固化形成复合材料外壳；
e:根据需要重复步骤c直至小球达到目标值。
进一步，步骤c中每次包覆在内球体表面的厚度为10微米。
步骤c每次完成后，均对玻璃微珠复合空心球的性能指标（主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等）进行检测，如未满足生产所需以及客户所需，那么根据需要重复步骤c直至小球达到目标值，再同时进行各性能指标检测，直到满足生产所需以及客户所需，对玻璃微珠复合空心球的生产过程进行监控，降低了生产过程中造成的报废率。
玻璃微珠复合空心球的性能指标主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等。其中，大小分布可以通过网筛或光学测试仪来测定；非圆比例可以通过目测或光学测试仪来测定；真密度可以通过真密度仪、排水法或堆积系数法来测定；静水压可以通过压力容器模拟增压来测定等等。
实施例2
如图1所示：一种以复合材料为球壁的空心球，包括球壁层1，所述的球壁层1内填充有空心玻璃微珠3。
进一步，所述的球壁层1由热固性聚合物制成。
进一步，所述的热固性聚合物可以是热固性环氧树脂、热固性聚酰亚胺或热固性聚丙烯。
进一步，该空心球的直径为60毫米，球壁层厚度为5毫米，真密度为600 kg/m3，静水压强度为60 MPa。
进一步，所述空心玻璃微珠3的真密度为100kg/m3，静水压强度为250 MPa，直径大小为100微米。
进一步，所述空心玻璃微珠3的总体积与球壁层1体积的比值为0.7。
进一步，所述球壁层1的密度为1000 kg/m3，弹性模量为 15.0GPa。
由图3得出：相同型号的玻璃微珠复合空心球、碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球在相同密度的情况下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度明显优于碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的空心球强度，同时，玻璃微珠复合空心球有更高的强度/密度比，即在同等密度下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度更高；在同等强度下，玻璃微珠复合空心球的密度更低。由于这样的优点，玻璃微珠复合空心球可以应用于海洋工程中要求很高的应用，如深海采矿提升介质，超深水潜水器浮力块等；通过玻璃微珠的填充，使得该空心球有更好的绝缘性能，可以应用于隔音、绝热的轻质建材；有更好的吸能、减震性能，可以应用于防冲击材料。
玻璃微珠复合空心球密度低、强度高、耐腐蚀，在海洋工程中有广泛应用，如浮力材料，海底采矿提升介质，轻质耐压填充物等。
一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，其特征在于，具体步骤如下：
a:在滚筒中加入蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯内球体；设置滚筒转速为100rpm；
b:并将滚筒与内球体一起加热到70℃；
c:将热固性聚合物与其固化剂的混合液洒入滚筒，在滚筒的运转中使混合液均匀包覆在内球体表面；随后加入对应量的空心玻璃微珠3，在滚动过程中使均匀附着于内球体表面；
d:经一段时间外层物料固化形成复合材料外壳；
e:根据需要重复步骤c直至小球达到目标值。
进一步，步骤c中每次包覆在内球体表面的厚度为100微米。
步骤c每次完成后，均对玻璃微珠复合空心球的性能指标（主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等）进行检测，如未满足生产所需以及客户所需，那么根据需要重复步骤c直至小球达到目标值，再同时进行各性能指标检测，直到满足生产所需以及客户所需，对玻璃微珠复合空心球的生产过程进行监控，降低了生产过程中造成的报废率。
玻璃微珠复合空心球的性能指标主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等。其中，大小分布可以通过网筛或光学测试仪来测定；非圆比例可以通过目测或光学测试仪来测定；真密度可以通过真密度仪、排水法或堆积系数法来测定；静水压可以通过压力容器模拟增压来测定等等。
实施例3
如图1所示：一种以复合材料为球壁的空心球，包括球壁层1，所述的球壁层1内填充有空心玻璃微珠3。
进一步，所述的球壁层1由热固性聚合物制成。
进一步，所述的热固性聚合物可以是热固性环氧树脂、热固性聚酰亚胺或热固性聚丙烯。
进一步，其直径为30毫米，球壁层厚度为2.5毫米，真密度为300kg/m3，静水压强度为30 MPa。
进一步，所述空心玻璃微珠3的真密度为250kg/m3，静水压强度为125MPa，直径大小为50微米。
进一步，所述空心玻璃微珠3的总体积与球壁层1体积的比值为0.3。
进一步，所述球壁层1的密度为600kg/m3，弹性模量为 7GPa。
由图4得出：相同型号的玻璃微珠复合空心球、碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球在相同密度的情况下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度明显优于碳纤维复合空心球以及玻璃纤维/硅灰石复合空心球的空心球强度， 同时，玻璃微珠复合空心球有更高的强度/密度比，即在同等密度下，玻璃微珠复合空心球的静水压强度更高；在同等强度下，玻璃微珠复合空心球的密度更低。由于这样的优点，玻璃微珠复合空心球可以应用于海洋工程中要求很高的应用，如深海采矿提升介质，超深水潜水器浮力块等；通过玻璃微珠的填充，使得该空心球有更好的绝缘性能，可以应用于隔音、绝热的轻质建材；有更好的吸能、减震性能，可以应用于防冲击材料。
玻璃微珠复合空心球密度低、强度高、耐腐蚀，在海洋工程中有广泛应用，如浮力材料，海底采矿提升介质，轻质耐压填充物等。
一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，具体步骤如下：
a:在滚筒中加入蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯内球体；设置滚筒转速为55rpm；
b:并将滚筒与内球体一起加热到45℃；
c:将热固性聚合物与其固化剂的混合液洒入滚筒，在滚筒的运转中使混合液均匀包覆在内球体表面；随后加入对应量的空心玻璃微珠3，在滚动过程中使均匀附着于内球体表面；
d:经一段时间外层物料固化形成复合材料外壳；
e:根据需要重复步骤c直至小球达到目标值。
进一步，步骤c中每次包覆在内球体表面的厚度为25微米。
步骤c每次完成后，均对玻璃微珠复合空心球的性能指标（主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等）进行检测，如未满足生产所需以及客户所需，那么根据需要重复步骤c直至小球达到目标值，再同时进行各性能指标检测，直到满足生产所需以及客户所需，对玻璃微珠复合空心球的生产过程进行监控，降低了生产过程中造成的报废率。
玻璃微珠复合空心球的性能指标主要包括大小分布、非圆比例、真密度、静水压强度等。其中，大小分布可以通过网筛或光学测试仪来测定；非圆比例可以通过目测或光学测试仪来测定；真密度可以通过真密度仪、排水法或堆积系数法来测定；静水压可以通过压力容器模拟增压来测定等等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：包括球壁层，所述的球壁层内填充有空心玻璃微珠。
2.根据权利要求1所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：所述球壁层由热固性聚合物制成。
3.根据权利要求2所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：所述的热固性聚合物可以是热固性环氧树脂、热固性聚酰亚胺或热固性聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：其直径为2–60毫米，球壁层厚度为0.1– 5毫米，真密度为100–600 kg/m3，静水压强度为1– 60 MPa。
5.根据权利要求1所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：所述空心玻璃微珠的真密度为100–500 kg/m3，静水压强度为3–250 MPa，直径大小为10–100微米。
6.根据权利要求1所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：所述空心玻璃微珠的总体积与球壁层体积的比值为0.05–0.7。
7.根据权利要求1所述的一种以复合材料为球壁的空心球，其特征在于：所述球壁层的密度为350–1000 kg/m3，弹性模量为 2.0–15.0GPa。
8.一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，其特征在于，具体步骤如下：
a:在滚筒中加入蒸汽膨胀发泡的聚苯乙烯内球体；
b:并将滚筒与内球体一起加热到30–70ºC；
c:将热固性聚合物与其固化剂的混合液洒入滚筒，在滚筒的运转中使混合液均匀包覆在内球体表面；随后加入对应量的空心玻璃微珠，在滚动过程中使均匀附着于内球体表面；经一段时间外层物料固化形成复合材料外壳；
d:根据需要重复步骤c直至小球各性能指标达到目标值。
9.根据权利要求8所述的一种适用于制造上述空心球的逐层包覆法，其特征在于：步骤c中每次包覆在内球体表面的厚度为10–100微米。
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