CN107936316B - 一种高耐寒性气象气球及其生产方法 - Google Patents

一种高耐寒性气象气球及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高耐寒性气象气球及其生产方法。所述气象气球的原料包括固体原料、油性原料和胶性原料；所述胶性原料包括100重量份的离心浓缩天然胶乳；所述固体原料包括0.05～0.6重量份的水溶液配料、4.5～15重量份的水分散体配料以及5～30重量份的氯丁二烯的聚合物；所述油性原料包括5～10重量份的氧化改性聚乙烯蜡。气象气球的质量为2900～3300g，球身长度为4.2～5m，球柄宽度为16～19cm，球柄长度为12～16cm。它能适应于探测40000m以上高空气象要素的要求，具有升空高度高、气球使用时间长、抗低温能力强等优点。

Description

一种高耐寒性气象气球及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种探测空中气象的运载工具及其生产方法，特别涉及一种高耐寒性气象气球及其生产方法。
背景技术
气象气球是携带探空仪器进行空中气象要素(温度、湿度、风向、风力、气压等)探测的一种最便捷、经济的运载工具，广泛用于航空、航天、航海、作战和军事科研等领域，为航空兵作战、航天器飞行等军事行动和科研任务提供安全保障。
目前，我国气象气球携带探空仪进行气象要素的探测只能实现从地面至36km的高度，40km以上高度的气象要素探测只能依靠发射气象火箭或激光雷达、卫星遥感来实现，但其成本和维持(维护)费用高、反演精度低、理论复杂、实施困难、设备庞大，应用非常有限，不能用于连续的气象业务观测。以气球作为平台，携带探测仪器，对中高层大气的温度、气压、密度、大气成分和风场等参数的探测和实验具有投资少、见效快、成本低、相对载重大、施放方便、携带仪器姿态稳定、数据资料获得较快以及有较大的灵活性，施放不受地域和气候因素影响等优点，在气象、航空和空间科学技术等领域广泛使用。
气象气球在飞行过程中长时间接触臭氧、强紫外线、太阳辐射，更重要的是还要经历-60～-80℃的高寒区，这需要气球具有很好的耐寒性能。气象气球的耐寒性主要取决于主体材料天然胶乳的玻璃化转变温度和结晶，两者都会使橡胶在低温下丧失工作能力。对于非结晶型橡胶来说，可用玻璃化转变温度(Tg)或脆性温度来表征，但对于结晶型橡胶来说，往往在比玻璃化转变温度高得多的低温条件下即丧失了弹性。天然胶乳在室温下为无定形体，10℃以下开始结晶，无定形与结晶共存，-25℃结晶最快。气球在升空过程中要经历-60～-80℃左右的高寒区，气球因结晶而使材料变为脆性影响气球的膨胀性能，若不加以改性很容易产生球炸的现象。
目前750g气象气球的升空高度在28000m左右，1200g气球升空高度一般在29000～32000m左右，1600g气球升空高度在36000m左右。这些规格的气球都不能满足气象部门探测40000m以上高空气象要素的需求。为适应探测40000m以上高空气象要素的要求，还需对气象气球的生产方法进一步改进，使其具有优良的耐寒性能，能适应40000m以上高空工作要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高耐寒性气象气球，所述高耐寒性气象气球升空高度高、使用时间长、抗低温能力强，能满足探测40000m以上高空气象要素的要求。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高耐寒性气象气球，所述气象气球的原料包括固体原料、油性原料和胶性原料；所述胶性原料包括100重量份的离心浓缩天然胶乳；所述固体原料包括0.05～0.6重量份的水溶液配料、4.5～15重量份的水分散体配料以及5～30重量份的氯丁二烯的聚合物；所述油性原料包括5～10重量份的氧化改性聚乙烯蜡。
为了提高气象气球的低温伸长率，本发明在生产配方中加入氧化改性聚乙烯蜡作为耐寒剂。氧化改性聚乙烯蜡能降低硫化胶分子结构的规整性及分子链间作用力，从而降低气球的低温结晶能力及延缓结晶速率，进而使气球顺利的通过高寒区。
为了改善气象气球的抗紫外能力，本发明在生产配方中增加了氯丁二烯的聚合物改善气球的光氧化性能。氯丁二烯的聚合物能在一定范围内能较好地对抗紫外线、温度和臭氧的对球皮的破坏力，从而达到减慢球皮老化速度的功能。氯丁二烯的聚合物用量控制在5％～30％左右时，工艺较容易控制。
进一步的，所述水溶液配料包括氢氧化钾、酪素和抗沉淀剂KM-S中的至少一种；所述氢氧化钾的重量份不超过0.3份，所述酪素的重量份不超过0.15份，所述抗沉淀剂KM-S的重量份为0.05～0.15份。为了避免氯丁二烯的聚合物加入配合胶乳中后，可能会引起配合胶乳的粘度升高，胶乳的稳定性发生变化等不良反应，本发明在氯丁二烯的聚合物与配合胶乳混合前，加入非离子型稳定剂抗沉淀剂KM-S，可使氯丁二烯的聚合物与天然胶乳有效均匀混合，提高整体加工性能，浸渍球成膜效果较好，工艺性能基本稳定，在定型工艺中确保气球流线型外观，提高球皮的均匀程度。
进一步的，所述抗沉淀剂KM-S的最优重量份为0.1份。本发明对稳定剂的浓度和加入量进行了研究，认为加入抗沉淀剂KM-S稳定剂0.1份的使用效果最好。
进一步的，所述水分散体配料包括硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌和氧化锌中的至少一种；所述硫磺的重量份为1～3份，所述乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌的重量份为1.5～3份，所述氧化锌的重量份为0.2～5份。
进一步的，所述水分散体配料中包括1～2份防老剂wingstay L和1～2份抗臭氧剂JMT-OZ；所述防老剂wingstay L为对甲酚和二环戊二烯的丁基化多元酚。本发明同时采用防老剂wingstay L和抗臭氧剂JMT-OZ两种物质作为防老剂，使二者之间发挥协同效应，提高球皮的耐臭氧老化性能。
进一步的，所述高耐寒性气象气球，最优选的配方包括：离心浓缩天然胶乳100份、氢氧化钾0.15份、酪素0.15份、抗沉淀剂KM-S 0.1份、硫磺1份、防老剂wingstay L 1份、抗臭氧剂JMT-OZ 1份、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌1.5份、氧化锌0.2份、氧化改性聚乙烯蜡9份、氯丁二烯的聚合物20份。
进一步的，所述气象气球的质量为2900～3300g，球身长度为4.2～5m，球柄宽度为16～19cm，球柄长度为12～16cm。本发明适当地增大了气球的重量，在定型工艺中确保气球流线型外观，提高球皮的均匀程度，以保证气球在升空过程中具有足够的伸张倍数。
进一步的，所述气象气球的球皮顶部、柄部与球腰部之间的厚度差控制在0.03mm以内。本发明将气象气球的规格尺寸限定在一定的范围，即保证气球上、中、下各部分球皮厚度的一致性，使球皮受到内部空气压力时所产生的应力均匀分布，在施放过程中均匀膨胀，从而延缓气球爆炸的时间，提高气球的平均升空高度。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种高耐寒性气象气球的生产方法，包括以下步骤：
(1)将各种不溶于水的固体粉末原料制成水分散体，将溶于水的固体粉末原料配制成水溶液，将氧化改性聚乙烯蜡配制成乳状液；
(2)将上述水溶液加入天然浓缩胶乳中混合得到混合溶液A，将上述水分散体加入混合溶液A中混合得到混合溶液B，将氧化改性聚乙烯蜡乳状液加入混合溶液B中得到混合溶液C；
(3)将混合溶液C与氯丁二烯的聚合物混合得到混合溶液D；
(4)将混合溶液D制备得到气象气球。
进一步的，所述步骤(1)中，所述的水溶液配料包括氢氧化钾、酪素和抗沉淀剂KM-S中的至少一种。
进一步的，所述步骤(1)中，所述的水分散体配料包括硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌和氧化锌中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的高耐寒性气象气球能适应于探测40000m以上高空气象要素的要求，具有升空高度高、气球使用时间长、抗低温能力强等优点；
2.本发明在气象气球生产配方中加入氧化改性聚乙烯蜡作为耐寒剂，提高了气象气球的耐寒性，增加了其低温伸长率。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种高耐寒性气象气球，包括如下重量份的各组分：氢氧化钾0.15份、酪素0.15份、抗沉淀剂KM-S(上海客美国际贸易有限公司销售，下同)0.1份、硫磺1份、防老剂wingstay L(广州申悦贸易有限公司销售，下同)1份、抗臭氧剂JMT-OZ(上海尚节实业有限公司销售，下同)1份、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌1.5份、氧化锌0.2份、氧化改性聚乙烯蜡9份、离心浓缩天然胶乳100份、氯丁二烯的聚合物20份。
上述的高耐寒性气象气球的制备方法，包括以下步骤：先将氢氧化钾、酪素、抗沉淀剂KM-S制备成稀释溶液，硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌、防老剂wingstay L、抗臭氧剂JMT-OZ、氧化锌分别研磨成水分散体，氧化改性聚乙烯蜡制备成乳状液，再依次将所得稀释溶液、水分散体、乳状液分别加入浓缩天然胶乳中，最后加入氯丁二烯的聚合物混合制备得到气象气球Q1。
气象气球Q1的质量为3000g，球身长度为4.2m，球柄宽度为16cm，球柄长度为12cm，球皮顶部、柄部与球腰部之间的厚度差控制在0.03mm以内。
实施例2：
一种高耐寒性气象气球，包括如下重量份的各组分：氢氧化钾0.3份、酪素0.1份、抗沉淀剂KM-S 0.05份、硫磺3份、防老剂wingstay L 2份、抗臭氧剂JMT-OZ 2份、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌3份、氧化锌5份、氧化改性聚乙烯蜡10份、离心浓缩天然胶乳100份、氯丁二烯的聚合物5份。
上述的高耐寒性气象气球的制备方法，包括以下步骤：先将氢氧化钾、酪素、抗沉淀剂KM-S制备成稀释溶液，硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌、防老剂wingstay L、抗臭氧剂JMT-OZ、氧化锌分别研磨成水分散体，氧化改性聚乙烯蜡制备成乳状液再依次将所得稀释溶液、水分散体、乳状液分别加入浓缩天然胶乳中，最后加入氯丁二烯的聚合物混合制备得到气象气球Q2。
气象气球Q2的质量为3300g，球身长度为5m，球柄宽度为19cm，球柄长度为16cm，球皮顶部、柄部与球腰部之间的厚度差控制在0.03mm以内。
实施例3：
一种高耐寒性气象气球，包括如下重量份的各组分：氢氧化钾0.15份、酪素0.1份、抗沉淀剂KM-S 0.15份、硫磺2份、防老剂wingstay L 1.5份、抗臭氧剂JMT-OZ 1.5份、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌2份、氧化锌3份、氧化改性聚乙烯蜡5份、离心浓缩天然胶乳100份、氯丁二烯的聚合物30份。
上述的高耐寒性气象气球的制备方法，包括以下步骤：先将氢氧化钾、酪素、抗沉淀剂KM-S制备成稀释溶液，硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌、防老剂wingstay L、抗臭氧剂JMT-OZ、氧化锌分别研磨成水分散体，氧化改性聚乙烯蜡制备成乳状液，再依次将所得稀释溶液、水分散体、乳状液分别加入浓缩天然胶乳中，最后加入氯丁二烯的聚合物混合制备得到气象气球Q3。
气象气球Q3的质量为2900g，球身长度为4.6m，球柄宽度为17cm，球柄长度为14cm，球皮顶部、柄部与球腰部之间的厚度差控制在0.03mm以内。
对比例1：
一种高耐寒性气象气球，包括如下重量份的各组分：
离心浓缩天然胶乳100份、氢氧化钾0.15份、酪素0.15份、抗沉淀剂KM-S 0.1份、硫磺1份、防老剂wingstay L 1份、抗臭氧剂JMT-OZ 1份、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌1.5份、氧化锌0.2份、氯丁二烯的聚合物20份。
保证上述配比不变的情况下，分别添加如下表所示的耐寒剂。根据以下六种配方制备六种气象气球，裁样测试其低温伸长率。测试温度为-70℃。由测试结果可以得出，采用氧化改性聚乙烯蜡作为耐寒剂比葵二酸二辛酯的效果更好。
表1 氧化改性聚乙烯蜡与葵二酸二辛酯的效果对照
Figure BDA0001455404590000051
对比例2：
用公开号CN 101592742中气象气球原料组分制作3000克规格气球得到气象气球Q4。
用氧化改性聚乙烯蜡代替CN 101592742原料组分中葵二酸二辛酯制作3000克规格气球得到气象气球Q5。
将气象气球Q1、Q2、Q3、Q4、Q5分别取5个样品做施放实验，结果见表2：
表2：气象气球Q1、Q2、Q3、Q4、Q5施放高度对比
Figure BDA0001455404590000052
Figure BDA0001455404590000061
由表2可以看出，Q1、Q2、Q3的原料组分中既含有耐寒剂氧化改性聚乙烯蜡，又含有防老剂wingstay L和抗臭氧剂JMT-OZ，施放高度最高；Q4原料组分中没有耐寒剂氧化改性聚乙烯蜡，其施放高度最低；Q5原料组分中只含有耐寒剂氧化改性聚乙烯蜡，不含有防老剂wingstay L和抗臭氧剂JMT-OZ，施放高度居中。
申请人按Q1组分试制的3000克气象气球，在中国北京观象台进行施放，施放有效结果如表3所示。
本次共施放20个气球，平均升空高度41421米；40000米有效率：85.0％。
表3 3000g气象气球施放情况
Figure BDA0001455404590000071

Claims (8)

1.一种高耐寒性气象气球，所述气象气球的原料包括固体原料、油性原料和胶性原料；所述胶性原料包括100重量份的离心浓缩天然胶乳，所述固体原料包括0.05~0.6重量份的水溶液配料、4.5~15重量份的水分散体配料以及5~30重量份的氯丁二烯的聚合物；其特征在于，所述油性原料包括5～10重量份的氧化改性聚乙烯蜡；所述水分散体配料中包括1～2份防老剂wingstay L 和1～2份抗臭氧剂JMT-OZ ；所述水分散体配料还包括硫磺、乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌和氧化锌中的至少一种，所述硫磺的重量份为1～3份，所述乙基-苯基-二硫代氨基甲酸锌的重量份为1.5～3份，所述氧化锌的重量份为0.2～5份。
2.根据权利要求1所述的高耐寒性气象气球，其特征在于，所述水溶液配料包括氢氧化钾、酪素和抗沉淀剂KM-S中的至少一种；所述氢氧化钾的重量份不超过0.3份，所述酪素的重量份不超过0.15份，所述抗沉淀剂KM-S的重量份为0.05～0.15份。
3.根据权利要求2所述的高耐寒性气象气球，其特征在于，所述抗沉淀剂KM-S的重量份为0.1份。
4.根据权利要求1所述的高耐寒性气象气球，其特征在于，所述防老剂wingstay L为对甲酚和二环戊二烯的丁基化多元酚。
5.根据权利要求1所述的高耐寒性气象气球，其特征在于，所述气象气球的质量为2900～3300g，球身长度为4.2～5m，球柄宽度为16～19cm，球柄长度为12～16cm。
6.根据权利要求5所述的高耐寒性气象气球，其特征在于，所述气象气球的球皮顶部、柄部与球腰部之间的厚度差控制在0.03mm以内。
7.一种如权利要求1所述的高耐寒性气象气球的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将各种不溶于水的固体粉末原料制成水分散体，将溶于水的固体粉末原料配制成水溶液，将氧化改性聚乙烯蜡配制成乳状液；
（2）将上述水溶液加入天然浓缩胶乳中混合得到混合溶液A，将上述水分散体加入混合溶液A中混合得到混合溶液B，将氧化改性聚乙烯蜡乳状液加入混合溶液B中得到混合溶液C；
（3）将混合溶液C与氯丁二烯的聚合物混合得到混合溶液D；
（4）将混合溶液D制备得到气象气球。
8.根据权利要求7所述的高耐寒性气象气球的生产方法，其特征在于，所述的水溶液配料包括氢氧化钾、酪素和抗沉淀剂KM-S中的至少一种。
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