CN108587070A - 一种轻质浮力材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质浮力材料及其制备方法，属于深海装备技术领域。本发明利用KH‑550是一种氨基官能团硅烷，经水解生成三官能度的‑OH与玻璃微珠表面的‑OH形成一种次价键力结合，未结合的硅羟基在复合体系中是氰酸酯自聚的促进剂，同时偶联剂另一端的氨基在复合体系中可与环氧基反应，其具有较高的反应活性，也会降低整个复合体系的反应活化能，降低体系的吸水性能，同时通过碳纤维沉积氧化钙，在与环氧树脂混合过程中，在材料体系中引入大量碳纤维，能在有效降低浮力材料的密度的前提下，进一步提升复合材料强度，同时利用氧化钙的水化作用密实材料内部缝隙，形成相互密闭的气泡，增强浮力材料耐压能力、降低浮力材料孔隙率，提高浮力材料服役可靠性。

Description

一种轻质浮力材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种轻质浮力材料及其制备方法，属于深海装备技术领域。

背景技术

深海装备的技术研发水平决定了一个国家深海资源的开发利用水平，目前许多国家已广泛开展深海装备的研究与开发，具有良好抗压性能的壳体材料研究与具有轻质高强性能的浮力材料研究是当前深海装备研究的两大热点领域。轻质高强浮力材料对耐压性、结构稳定性及密度等具有较髙的要求。近年来，针对轻质浮力材料的研究与技术开发，世界上各个国家的科研人员已做了大量的研究工作。目前一些具有较好的耐压性、良好的结构稳定性及低密度浮力材料已初步研制出来，并广泛的应用于国防建设、日用商品、商业开发等多个领域。随着我国对海洋开发的逐步加速及海洋开发战略的重视，各类观测、勘探、装备等海洋技术的快速发展，深海资源探测开发的需求显得越来越迫切和重要，满足不同使用条件的轻质高强浮力材料的应用前景开始变得更加广阔。

在使用过程中，由于存在耐压性差、结构不稳定等问题，水下起伏式拖体、深潜探测器和水下机器人等深海装备遇到很多的制造和使用难题。科研人员开始研制具有高强度的轻质固体浮力材料来解决这些难题，该类浮力材料能够降低装备的密度从而为设备提供足够的浮力。由于综合性能优于传统浮力材料，这类固体浮力材料已经逐步取代传统的单点系泊系统如耐压浮力筒等装置。轻质固体浮力材料实质上是一种多孔结构复合材料，其具有低密度、高强度的特点，这些材料属于复合材料的定义范畴。根据浮力材料中添加介质材料的不同可将此类材料主要分为化学泡沫塑料、轻质合成复合塑料及空心玻璃微珠复合材料三类。

化学泡沫塑料是采用化学发泡法工艺制备的泡沫类复合材料；轻质合成复合塑料是由低密度填充料填充制成的材料，填充料一般为中空塑料材料或者大直径的玻璃球等；由空心玻璃微珠混杂在树脂基体中经固化而形成的复合材料为空心玻璃微珠复合材料，空心玻璃微珠的体积分数一般在树脂基体的60～70%。高强轻质固体浮力材料作为发展深海潜水技术，进行海底勘探的关键性材料，它可以为深海探测装备提供必需的浮力，提高其有效载荷，实现装备的小型化，从而提高其水下运动性能。尤其是对于建造大深度的深海探测器（水深≥5000m），能否制造出性能优越且可靠性高的高强轻质固体浮力材料起着决定性的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有轻质浮力材料的耐压强度较低，且材料的吸水率较离，在水中浸湿一定时间后，会逐渐吸水失去浮力，导致材料的安全可靠性降低的问题，提供了一种轻质浮力材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种轻质浮力材料，其特征在于，包括下述重量份原料：

30～40份改性玻璃微珠，40～60份复合碳纤维，80～100份环氧树脂，30～40份双酚A氰酸酯，1.0～1.2份二月桂酸二丁基锡。

所述改性玻璃微珠为硅烷偶联剂KH-550与质量分数为90%乙醇溶液混合均匀后加入玻璃微珠超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛制得。

所述硅烷偶联剂KH-550、乙醇溶液、玻璃微珠的重量份为3～5份硅烷偶联剂KH-550，300～500份乙醇溶液，30～40份玻璃微珠。

所述玻璃微珠型号为HGS8000X，密度为0.42g/m3。

所述复合碳纤维为硅烷偶联剂KH-550与无水乙醇混合均匀后加入碳纤维、氧化钙超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛制得。

所述硅烷偶联剂KH-550、无水乙醇、碳纤维、氧化钙的重量份为3～5份硅烷偶联剂KH-550，300～500份无水乙醇，40～60份碳纤维，10～20份氧化钙。

所述环氧树脂为环氧树脂E-51，环氧当量为184～195g/mol。

所述的一种轻质浮力材料的制备方法，具体步骤为：

（1）将硅烷偶联剂KH-550与质量分数为90%乙醇溶液混合均匀后加入玻璃微珠超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛，得改性玻璃微珠；

（2）将硅烷偶联剂KH-550与无水乙醇混合均匀后加入碳纤维、氧化钙超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛，得复合碳纤维；

（3）取改性玻璃微珠、复合碳纤维加入环氧树脂中，在60～70℃下超声分散，再升温至90～100℃，加入双酚A氰酸酯、二月桂酸二丁基锡，继续搅拌10～20min后装入真空烘箱中，在100～105℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.1～0.2MPa压力，120～130℃下预固化2～3h，再在150～180℃下固化3～5h，固化完毕后脱模，得轻质浮力材料。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明利用KH550是一种氨基官能团硅烷，经水解生成三官能度的—OH与玻璃微珠表面的—OH形成一种次价键力结合，未结合的硅羟基在复合体系中是氰酸酯自聚的促进剂，同时偶联剂另一端的氨基在复合体系中可与环氧基反应，其具有较高的反应活性，也会降低整个复合体系的反应活化能，降低体系的吸水性能；

（2）本发明通过碳纤维沉积氧化钙，并用KH550包裹形成复合碳纤维，在与环氧树脂混合过程中，在材料体系中引入大量碳纤维，能在有效降低浮力材料的密度的前提下，进一步提升复合材料强度，同时利用氧化钙的水化作用密实材料内部缝隙，形成相互密闭的气泡，有利于提高材料的整体强度，增强浮力材料耐压能力、降低浮力材料孔隙率，提高浮力材料服役可靠性。

具体实施方式

取3～5g硅烷偶联剂KH-550加入300～500g质量分数为90%乙醇溶液中，以300～400r/min搅拌20～30min，再加入30～40g玻璃微珠，在60～70℃下以300W超声波超声分散1～2h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得改性玻璃微珠，取3～5g硅烷偶联剂KH-550加入300～500g无水乙醇中，以300～400r/min搅拌20～30min，再加入40～60g碳纤维，10～20g氧化钙，在60～70℃下以300W超声波超声分散1～2h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得复合碳纤维，取30～40g改性玻璃微珠，40～60g复合碳纤维，加入80～100g环氧树脂中，在60～70℃下以300W超声波超声分散20～30min，再升温至90～100℃，加入30～40g双酚A氰酸酯，1.0～1.2g二月桂酸二丁基锡，继续搅拌10～20min后装入真空烘箱中，在100～105℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.1～0.2MPa压力，120～130℃下预固化2～3h，再在150～180℃下固化3～5h，固化完毕后脱模得轻质浮力材料。

实例1

取3g硅烷偶联剂KH-550加入300g质量分数为90%乙醇溶液中，以300r/min搅拌20min，再加入30g玻璃微珠，在60℃下以300W超声波超声分散1h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得改性玻璃微珠，取3g硅烷偶联剂KH-550加入300g无水乙醇中，以300r/min搅拌20min，再加入40g碳纤维，10g氧化钙，在60℃下以300W超声波超声分散1h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得复合碳纤维，取30g改性玻璃微珠，40g复合碳纤维，加入80g环氧树脂中，在60℃下以300W超声波超声分散20min，再升温至90℃，加入30g双酚A氰酸酯，1.0g二月桂酸二丁基锡，继续搅拌10min后装入真空烘箱中，在100℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.1MPa压力，120℃下预固化2h，再在150℃下固化3h，固化完毕后脱模得轻质浮力材料。

实例2

取4g硅烷偶联剂KH-550加入400g质量分数为90%乙醇溶液中，以350r/min搅拌25min，再加入35g玻璃微珠，在65℃下以300W超声波超声分散1h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在108℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得改性玻璃微珠，取4g硅烷偶联剂KH-550加入400g无水乙醇中，以350r/min搅拌25min，再加入50g碳纤维，15g氧化钙，在65℃下以300W超声波超声分散1h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在108℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得复合碳纤维，取35g改性玻璃微珠，50g复合碳纤维，加入90g环氧树脂中，在65℃下以300W超声波超声分散25min，再升温至95℃，加入35g双酚A氰酸酯，1.1g二月桂酸二丁基锡，继续搅拌15min后装入真空烘箱中，在102℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.2MPa压力，125℃下预固化2h，再在160℃下固化4h，固化完毕后脱模得轻质浮力材料。

实例3

取5g硅烷偶联剂KH-550加入500g质量分数为90%乙醇溶液中，以400r/min搅拌30min，再加入40g玻璃微珠，在70℃下以300W超声波超声分散2h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得改性玻璃微珠，取5g硅烷偶联剂KH-550加入500g无水乙醇中，以400r/min搅拌30min，再加入60g碳纤维，20g氧化钙，在70℃下以300W超声波超声分散2h，过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，再转入研磨机中研磨，过60目筛，得复合碳纤维，取40g改性玻璃微珠，60g复合碳纤维，加入100g环氧树脂中，在70℃下以300W超声波超声分散30min，再升温至100℃，加入40g双酚A氰酸酯，1.2g二月桂酸二丁基锡，继续搅拌20min后装入真空烘箱中，在105℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.2MPa压力，130℃下预固化3h，再在180℃下固化5h，固化完毕后脱模得轻质浮力材料。

对照例：大连某公司生产的轻质浮力材料。

将实例及对照例的浮力材料进行检测，具体检测结果如表1。

表1性能表征对比表

检测项目	实例1	实例2	实例3	对照例
					密度g/cm3	0.45	0.39	0.28	0.47
压缩强度MPa	24.58	29.76	33.17	8.27
					耐静水压MPa	46.82	35.89	30.18	8.91
吸水率%	1	2	2	4

由表1可知，本发明制备的轻质浮力材料具有良好的整体强度、耐压能力、孔隙率，提高了浮力材料服役可靠性。

Claims (8)

1.一种轻质浮力材料，其特征在于，包括下述重量份原料：

30～40份改性玻璃微珠，40～60份复合碳纤维，80～100份环氧树脂，30～40份双酚A氰酸酯，1.0～1.2份二月桂酸二丁基锡。

2.如权利要求1所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述改性玻璃微珠为硅烷偶联剂KH-550与质量分数为90%乙醇溶液混合均匀后加入玻璃微珠超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛制得。

3.如权利要求2所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂KH-550、乙醇溶液、玻璃微珠的重量份为3～5份硅烷偶联剂KH-550，300～500份乙醇溶液，30～40份玻璃微珠。

4.如权利要求2或3所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述玻璃微珠型号为HGS8000X，密度为0.42g/m³。

5.如权利要求1所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述复合碳纤维为硅烷偶联剂KH-550与无水乙醇混合均匀后加入碳纤维、氧化钙超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛制得。

6.如权利要求4所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂KH-550、无水乙醇、碳纤维、氧化钙的重量份为3～5份硅烷偶联剂KH-550，300～500份无水乙醇，40～60份碳纤维，10～20份氧化钙。

7.如权利要求1所述的一种轻质浮力材料，其特征在于，所述环氧树脂为环氧树脂E-51，环氧当量为184～195g/mol。

8.如权利要求1～7任意一项所述的一种轻质浮力材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）将硅烷偶联剂KH-550与质量分数为90%乙醇溶液混合均匀后加入玻璃微珠超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛，得改性玻璃微珠；

（2）将硅烷偶联剂KH-550与无水乙醇混合均匀后加入碳纤维、氧化钙超声分散处理，过滤、干燥、研磨、过筛，得复合碳纤维；

（3）取改性玻璃微珠、复合碳纤维加入环氧树脂中，在60～70℃下超声分散，再升温至90～100℃，加入双酚A氰酸酯、二月桂酸二丁基锡，继续搅拌10～20min后装入真空烘箱中，在100～105℃下真空脱泡至无气泡产生时装入模具中，在0.1～0.2MPa压力，120～130℃下预固化2～3h，再在150～180℃下固化3～5h，固化完毕后脱模，得轻质浮力材料。