CN109836048A - 一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体浮力材料制备技术领域，且公开了一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料，包括以下重量份数配比的原料：29～65份玻璃粉、85～152份无机粘结剂、10～25g短切E‑CR玻璃纤维、8～20份碱金属磷酸盐；其中，玻璃粉包括20～40份纳米SiO₂、6～9份纳米B₂O₃、2～10份微米Al₂O₃、1～6份微米Na₂O；无机粘结剂包括60～80份微米SiO₂、10～25份微米B₂O₃、10～30份微米Al₂O₃、2～7份微米Na₂O、3～10份微米PbO。本发明还公开了一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料的制备方法。本发明解决了现有的无机固体浮力材料，在实现轻质高强与耐高温性能的同时，存在的脆性大、耐冲击能力低、易碎的技术问题。

Description

一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料及制备方法

技术领域

本发明涉及固体浮力材料制备技术领域，具体为一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料及制备方法。

背景技术

浮力材料是重要的工程材料，被广泛用于深潜器的制造、海洋油气资源开发、海上人工岛建造等海洋开发领域。随着海洋开发的进一步深入，深海热液探测设备、海洋空间站建设、跨介质飞行器制造等领域对浮力材料的耐温性提出了更高的要求。目前国内外主要采用的是树脂基的有机固体浮力材料，一般是通过在树脂基体中加入空心球制备而成。这种浮力材料具有轻质高强等优点，但也有不耐高温的缺点。

目前采用以耐高温的陶瓷粘结剂代替树脂基体的思路，用陶瓷粘结剂结合陶瓷空心微球制备了耐高温的无机固体浮力材料。利用硼铝硅酸盐玻璃粉为高温粘结剂结合空心玻璃微珠，可以得到体积密度为0.23-0.91g/cm³，抗压强度为4.94-28.03MPa的耐温无机浮力材料，在500-550℃时，所制备的无机浮力材料仍能保持室温时力学性能。与有机固体浮力材料，上述无机固体浮力材料具有优异的耐高温性能，但是采用陶瓷粘结剂结合陶瓷空心微球制备的无机固体浮力材料，在使用的过程中，存在脆性大、耐冲击能力低、易碎的缺点，且后加工能力低，产品不易回收利用。

本发明提供一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料及制备方法，旨在解决现有的无机固体浮力材料，在实现轻质高强与耐高温性能的同时，存在的脆性大、耐冲击能力低、易碎的技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料及制备方法，解决了现有的无机固体浮力材料，在实现轻质高强与耐高温性能的同时，存在的脆性大、耐冲击能力低、易碎的技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料，包括以下重量份数配比的原料：29～65份玻璃粉、85～152份无机粘结剂、10～25g短切E-CR玻璃纤维、8～20份碱金属磷酸盐；

其中，玻璃粉包括20～40份纳米SiO₂、6～9份纳米B₂O₃、2～10份微米Al₂O₃、1～6份微米Na₂O；

无机粘结剂包括60～80份微米SiO₂、10～25份微米B₂O₃、10～30份微米Al₂O₃、2～7份微米Na₂O、3～10份微米PbO。

优选的，所述玻璃粉还包括20份微米SiO₂、3份微米B₂O₃。

一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.中空玻璃微球的制备

(1)称取20～40份纳米SiO₂、6～9份纳米B₂O₃、2～10份微米Al₂O₃、1～6份微米Na₂O，配制成玻璃粉，备用；

(2)将步骤(1)中的原料充分混合膨化之后置于电熔坩埚中，在1200～1400℃下熔制，使用甲烷烧制80～120min，将熔制好的玻璃液冷却，经过收集器收集后，通过漂浮在水面上收集平均粒径≤10um的中空玻璃微球；

S2.称取60～80份微米SiO₂、10～25份微米B₂O₃、10～30份微米Al₂O₃、2～7份微米Na₂O、3～10份微米PbO，充分混合均匀，配制得到无机粘结剂；

S3.称取10～25g短切E-CR玻璃纤维，备用；

S4.将8～20g碱金属磷酸盐溶解在由蒸馏水和无水乙醇组成的混合溶剂中，配制得到分散剂溶液；

S5.将步骤S2中的无机粘结剂加入到步骤S4中的分散剂溶液中，搅拌至无机粘结剂分散均匀后，加入步骤S1中的中空玻璃微球与步骤S3中的短切E-CR玻璃纤维，继续搅拌至分散液均匀后，在搅拌速率180r/min、温度110℃下干燥处理使溶剂完全挥发，制备得到浓缩组分；

S6.先将步骤S5中的浓缩组分在200～350MPa的压力下压制成型，再于650～820℃下煅烧2～4h，制备得到浮力材料。

优选的，所述步骤S6中，浓缩组分在300MPa的压力下压制成型，再于780℃下煅烧4h。

(三)有益的技术效果

与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：

本发明以微米级陶瓷颗粒为无机粘结剂，结合中空玻璃微球制备出界面间结合性能优异的浮力材料，经测试，其体积密度为0.61～0.79g/cm³、抗压强度为20.2～23.6MPa、吸水率≤1％，与现有技术中耐温无机浮力材料的密度0.23～0.91g/cm³、抗压强度4.94～28.03MPa、吸水率≤1％相比，基本上达到了现有技术中耐温无机浮力材料的制备水平；

且本发明在无机粘结剂与中空玻璃微球之间添加长度3～6mm、直径9～13um的短切E-CR玻璃纤维，短切E-CR玻璃纤维能够有效地起到改善浮力材料的脆性性能、并提高其耐冲击性能的技术效果。

具体实施方式

实施例一：

上述浮力材料的制备方法包括以下步骤：

S101.中空玻璃微球的制备

(1)称取20g平均粒径≤150nm的SiO₂、20g平均粒径≤5um的SiO₂、3g平均粒径≤150nm的B₂O₃、3g平均粒径≤5um的B₂O₃、2g平均粒径≤50um的Al₂O₃、1g平均粒径≤50um的Na₂O，备用；

(2)将步骤(1)中的原料充分混合膨化之后置于电熔坩埚中，在1200℃下熔制，使用甲烷烧制80min，将熔制好的玻璃液冷却，经过收集器收集后，通过漂浮在水面上收集平均粒径≤10um的中空玻璃微球；

S102.称取60g平均粒径≤5um的SiO₂、10g平均粒径≤5um的B₂O₃、10g平均粒径≤5um的Al₂O₃、2g平均粒径≤5um的Na₂O、3g平均粒径≤5um的PbO，充分混合均匀，配制得到无机粘结剂；

S103.称取10g长度3～6mm、直径9～13um的短切E-CR玻璃纤维，备用；

S104.将8g三聚磷酸钠溶解在由100mL蒸馏水和100mL无水乙醇组成的混合溶剂中，配制得到分散剂溶液；

S105.将步骤S102中的无机粘结剂加入到步骤S104中的分散剂溶液中，搅拌至无机粘结剂分散均匀后，加入步骤S101中的中空玻璃微球与步骤S103中的短切E-CR玻璃纤维，继续搅拌至分散液均匀后，在搅拌速率180r/min、温度110℃下干燥处理使溶剂完全挥发，制备得到浓缩组分；

S106.先将步骤S105中的浓缩组分在200MPa的压力下压制成型，再于650℃下煅烧2h，制备得到浮力材料；

S107.经过测试，步骤S106中的浮力材料的体积密度为0.79g/cm³、抗压强度为23.6MPa、吸水率≤1％。

实施例二：

上述浮力材料的制备方法包括以下步骤：

S201.中空玻璃微球的制备

(1)称取30g平均粒径≤150nm的SiO₂、20g平均粒径≤5um的SiO₂、5g平均粒径≤150nm的B₂O₃、3g平均粒径≤5um的B₂O₃、7g平均粒径≤50um的Al₂O₃、4g平均粒径≤50um的Na₂O，备用；

(2)将步骤(1)中的原料充分混合膨化之后置于电熔坩埚中，在1300℃下熔制，使用甲烷烧制100min，将熔制好的玻璃液冷却，经过收集器收集后，通过漂浮在水面上收集平均粒径≤10um的中空玻璃微球；

S202.称取70g平均粒径≤5um的SiO₂、20g平均粒径≤5um的B₂O₃、20g平均粒径≤5um的Al₂O₃、5g平均粒径≤5um的Na₂O、6g平均粒径≤5um的PbO，充分混合均匀，配制得到无机粘结剂；

S203.称取15g长度3～6mm、直径9～13um的短切E-CR玻璃纤维，备用；

S204.将15g六偏磷酸钠溶解在由100mL蒸馏水和100mL无水乙醇组成的混合溶剂中，配制得到分散剂溶液；

S205.将步骤S202中的无机粘结剂加入到步骤S204中的分散剂溶液中，搅拌至无机粘结剂分散均匀后，加入步骤S201中的中空玻璃微球与步骤S203中的短切E-CR玻璃纤维，继续搅拌至分散液均匀后，在搅拌速率180r/min、温度110℃下干燥处理使溶剂完全挥发，制备得到浓缩组分；

S206.先将步骤S205中的浓缩组分在30MPa的压力下压制成型，再于780℃下煅烧4h，制备得到浮力材料；

S207.经过测试，步骤S206中的浮力材料的体积密度为0.61g/cm³、抗压强度为20.2MPa、吸水率≤1％。

实施例三：

上述浮力材料的制备方法包括以下步骤：

S301.中空玻璃微球的制备

(1)称取40g平均粒径≤150nm的SiO₂、20g平均粒径≤5um的SiO₂、6g平均粒径≤150nm的B₂O₃、3g平均粒径≤5um的B₂O₃、10g平均粒径≤50um的Al₂O₃、6g平均粒径≤50um的Na₂O，备用；

(2)将步骤(1)中的原料充分混合膨化之后置于电熔坩埚中，在1400℃下熔制，使用甲烷烧制120min，将熔制好的玻璃液冷却，经过收集器收集后，通过漂浮在水面上收集平均粒径≤10um的中空玻璃微球；

S102.称取80g平均粒径≤5um的SiO₂、25g平均粒径≤5um的B₂O₃、30g平均粒径≤5um的Al₂O₃、7g平均粒径≤5um的Na₂O、10g平均粒径≤5um的PbO，充分混合均匀，配制得到无机粘结剂；

S303.称取25g长度3～6mm、直径9～13um的短切E-CR玻璃纤维，备用；

S304.将20g焦磷酸钠溶解在由100mL蒸馏水和100mL无水乙醇组成的混合溶剂中，配制得到分散剂溶液；

S305.将步骤S302中的无机粘结剂加入到步骤S304中的分散剂溶液中，搅拌至无机粘结剂分散均匀后，加入步骤S301中的中空玻璃微球与步骤S303中的短切E-CR玻璃纤维，继续搅拌至分散液均匀后，在搅拌速率180r/min、温度110℃下干燥处理使溶剂完全挥发，制备得到浓缩组分；

S306.先将步骤S305中的浓缩组分在350MPa的压力下压制成型，再于820℃下煅烧3h，制备得到浮力材料；

S307.经过测试，步骤S306中的浮力材料的体积密度为0.67g/cm³、抗压强度为21.8MPa、吸水率≤1％。

Claims (4)

1.一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：29～65份玻璃粉、85～152份无机粘结剂、10～25g短切E-CR玻璃纤维、8～20份碱金属磷酸盐；

其中，玻璃粉包括20～40份纳米SiO₂、6～9份纳米B₂O₃、2～10份微米Al₂O₃、1～6份微米Na₂O；

无机粘结剂包括60～80份微米SiO₂、10～25份微米B₂O₃、10～30份微米Al₂O₃、2～7份微米Na₂O、3～10份微米PbO。

2.根据权利要求1所述的浮力材料，其特征在于，所述玻璃粉还包括20份微米SiO₂、3份微米B₂O₃。

3.一种中空玻璃微球复合无机固体浮力材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.中空玻璃微球的制备

(1)称取20～40份纳米SiO₂、6～9份纳米B₂O₃、2～10份微米Al₂O₃、1～6份微米Na₂O，配制成玻璃粉，备用；

(2)将步骤(1)中的原料充分混合膨化之后置于电熔坩埚中，在1200～1400℃下熔制，使用甲烷烧制80～120min，将熔制好的玻璃液冷却，经过收集器收集后，通过漂浮在水面上收集平均粒径≤10um的中空玻璃微球；

S2.称取60～80份微米SiO₂、10～25份微米B₂O₃、10～30份微米Al₂O₃、2～7份微米Na₂O、3～10份微米PbO，充分混合均匀，配制得到无机粘结剂；

S3.称取10～25g短切E-CR玻璃纤维，备用；

S4.将8～20g碱金属磷酸盐溶解在由蒸馏水和无水乙醇组成的混合溶剂中，配制得到分散剂溶液；

S5.将步骤S2中的无机粘结剂加入到步骤S4中的分散剂溶液中，搅拌至无机粘结剂分散均匀后，加入步骤S1中的中空玻璃微球与步骤S3中的短切E-CR玻璃纤维，继续搅拌至分散液均匀后，在搅拌速率180r/min、温度110℃下干燥处理使溶剂完全挥发，制备得到浓缩组分；

S6.先将步骤S5中的浓缩组分在200～350MPa的压力下压制成型，再于650～820℃下煅烧2～4h，制备得到浮力材料。

4.根据权利要求3所述的浮力材料，其特征在于，所述步骤S6中，浓缩组分在300MPa的压力下压制成型，再于780℃下煅烧4h。