CN110628180A - 一种固体浮力材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空固体浮力材料及其制备方法。本发明采用两种或三种空心玻璃微珠共同作为密度调节剂填充到环氧树脂基体中制得结构更为致密,力学性能优异的固体浮力材料,制备的固体浮力材料可以适用于1000—11000米的海深。本发明进一步提供了一种固体浮力材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于固体浮力材料领域,具体涉及适用于深海高压环境下的固体浮力材料及其制备方法。
背景技术
固体浮力材料是一种无机微球填充到有机树脂基体中,经过固化反应得到。固体浮力材料作为一种结构功能材料,广泛应用于深海运载作业装备、隔水管浮筒、输油管线、系泊系统等,为作业设备提供一定的浮力和减轻配重等。
固体浮力材料采用一种空心玻璃微珠填充,工艺简单,无需考虑空心玻璃微珠的粒径、密度以及复配方式等问题,因此目前有关固体浮力材料的专利大部分采用一种空心玻璃微珠。中国专利CN103421278A公开了一种低密度高强度固体浮力材料及其制备方法,该专利采用10-50毫米级空心玻璃球和10-120微米级空心玻璃微珠共混作为固体浮力的增强材料,制备的固体浮力材料密度在0.30-0.65g/cm3,承压在2-75MPa。中国专利CN102936395A介绍了一种高强度固体浮力材料,根据材料的预设密度,调节选用的微珠粒径和数量,填充于环氧体系中得到不同密度的固体浮力材料,材料密度在0.38-0.68g/cm3之间,压缩强度为14-76MPa。中国专利CN102702649A介绍了一种深潜用固体浮力材料的制备方法,轻质填充物为陶瓷空心球和(或)空心玻璃微珠,制备的浮力材料抗压强度可达80-120MPa,密度0.45-0.65g/cm3。以上专利所采用的微球直径在微米级和毫米级,其中所选用的毫米级空心微球的抗压强度较低,导致制备的浮力材料强度不高。
因此,需要提供一种新的固体浮力材料及其制备方法以解决现有问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于深海高压环境、空隙率低、机械性能好、不损失净浮力的固体浮力材料填充物质——玻璃微珠复配的技术。本发明的另一目的是提供上述玻璃微珠复配填充环氧树脂复合材料——固体浮力材料的制备方法。
为实现本发明的上述发明目的,本发明采用了下述技术方案:
本发明的固体浮力材料,其含有如下以质量份计的组分:
环氧树脂100份;酸酐类固化剂70~95份;促进剂:0.5~1份;空心玻璃微珠25~100份;表面改性剂1~3份。
基体材料的选择:所述的环氧树脂选用双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂(F-46,F-48,JF-46等)或脂环族环氧树脂(ERL4221等)中的一种;所述固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐等酸酐类固化剂;所述促进剂为DMP-30;所述表面改性剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)等硅烷偶联剂。
空心玻璃微珠的选择:所述空心玻璃微珠为3M公司、蚌埠玻璃工业设计研究院、马鞍山矿山研究院等常用的空心玻璃微珠,粒径分布在10~150微米,强度250~27000psi。
空心玻璃微珠的复配配比和方式:所述空心玻璃微珠采用至少两种进行复配,平均粒径均在20~60μm之间,且每一种玻璃微珠须有一定的粒径差,粒径差须在10~40μm之间。此外,选择复配的空心玻璃微珠真实密度在0.2~0.6g/cm3,堆积密度在0.1~0.4g/cm3。通常选取2种或3种不同型号的空心玻璃微珠,不同微珠类型和配比可得到不同密度和强度的浮力材料。将选中的待复配的微珠称取所需质量后放入分散装置中,将不同粒径的微珠混合均匀。
本发明空心玻璃微珠复配充环氧树脂复合材料的制备方法:采用表面活性剂对待用的空心玻璃微珠进行处理,将已处理的多种空心玻璃微珠按照配比称量并混合,将环氧树脂、固化剂、促进剂等按照比例配好在真空环境下预混合,将混合好的玻璃微珠加入到预混合的树脂体系中,30~80℃真空搅拌30~90min左右,真空脱泡混合均匀的物料浇注到模具中,在烘箱中进行后固化,先在100~120℃保温3小时左右,再在140~150℃保温2~4小时左右,得到浮力材料。
本发明的有益效果:本发明采用高强度树脂体系,多种型号空心玻璃微珠复配填充制备得到浮力材料,其密度0.40~0.68g/cm3,静水压强度可达10~150MPa,在相应静水压环境下吸水率小于1%,使用深度最高可达11000米。
本发明采用两种或三种空心玻璃微珠共同作为密度调节剂填充到环氧树脂基体中制得结构更为致密,力学性能优异的固体浮力材料,制备的固体浮力材料可以适用于1000~11000米的海深。适用于为水下机器人、钻井隔水管等海洋设备提供浮力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。HGS8000X(平均粒径26μm,堆积密度0.26g/cm3,真实密度0.42g/cm3)、VS5500(平均粒径40μm,堆积密度0.25g/cm3,真实密度0.38g/cm3)按照体积比2:3的配比混合均匀,加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌60min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.66g/cm3,压缩强度102MPa,130MPa静水压环境下吸水率0.32%。
实施例2
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。K20(平均粒径55μm,堆积密度0.12g/cm3,真实密度0.2g/cm3)、HGS8000X(平均粒径26μm,堆积密度0.26g/cm3,真实密度0.42g/cm3)、VS5500(平均粒径40μm,堆积密度0.25g/cm3,真实密度0.38g/cm3)按照质量比3:2:1的配比混合均匀后,加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌80min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.61g/cm3,压缩强度75MPa,70MPa静水压环境下吸水率0.36%。
实施例3
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。K20(平均粒径55μm,堆积密度0.12g/cm3,真实密度0.2g/cm3)、XLD3000(平均粒径30μm,堆积密度0.13g/cm3,真实密度0.3g/cm3)、VS5500(平均粒径40μm,堆积密度0.25g/cm3,真实密度0.38g/cm3)按照质量比3:2:1的配比混合均匀后,加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌80min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.64g/cm3,压缩强度78MPa,70MPa静水压环境下吸水率0.31%。
对比例4
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。空心玻璃微珠选择VS5500(平均粒径40μm,堆积密度0.25g/cm3,真实密度0.38g/cm3),将其加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌60min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.63g/cm3,压缩强度65MPa,70MPa静水压环境下吸水率0.70%。
对比例5
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。空心玻璃微珠选择HGS8000X(平均粒径26μm,堆积密度0.26g/cm3,真实密度0.42g/cm3)、XLD3000(平均粒径30μm,堆积密度0.13g/cm3,真实密度0.3g/cm3)按照体积比2:3的配比混合均匀,将其加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌60min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.60g/cm3,压缩强度63MPa,70MPa静水压环境下吸水率1.2%。
对比例6
E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、表面活性剂KH550、促进剂DMP-30按照质量比100:85:1:1的比例机械搅拌均匀脱泡得到环氧树脂混合液待用。K20(平均粒径55μm,堆积密度0.12g/cm3,真实密度0.2g/cm3)、XLD3000(平均粒径30μm,堆积密度0.13g/cm3,真实密度0.3g/cm3)、HGS8000X(平均粒径26μm,堆积密度0.26g/cm3,真实密度0.42g/cm3)按照质量比3:2:1的配比混合均匀后,加入到环氧树脂混合液中,在60℃下真空搅拌80min,混合均匀的物料填充到不锈钢自制模具中,模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h的后固化,冷却至室温后脱模得到浮力材料,该材料密度为0.63g/cm3,压缩强度61MPa,70MPa静水压环境下吸水率1.05%。
实施例1采用HGS8000X和VS5500两种空心玻璃微珠进行复配,两种微珠的平均粒径差为14μm;实施例2采用K20、HGS8000X和VS5500三种空心玻璃微珠进行复配,三种微珠的平均粒径差分别为14和15μm;实施例3采用K20、XLD3000和VS5500三种空心玻璃微珠进行复配,三种微珠的平均粒径差分别为10和15μm;对比例4只采用VS5500一种空心玻璃微珠;对比例5采用HGS8000X和XLD3000两种空心玻璃微珠进行复配,平均粒径差为4μm;对比例6采用K20、XLD3000和HGS8000X三种空心玻璃微珠进行复配,三种微珠的平均粒径差分别为4和25μm。所有实施例制备的固体浮力材料密度、压缩强度和吸水率结果如下表所示:
本发明所述内容并不仅限于本发明所述实施例内容。
本文中应用了具体个例对本发明结构及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种固体浮力材料,其特征在于,含有如下以质量份计的组分:
环氧树脂100份;酸酐类固化剂70~95份;促进剂:0.5~1份;空心玻璃微珠25~100份;表面改性剂1~3份。
2.根据权利要求1所述的固体浮力材料,其特征在于,所述的环氧树脂选用双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂或脂环族环氧树脂中的一种。
3.根据权利要求1所述的固体浮力材料,其特征在于,所述固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐。
4.根据权利要求1所述的固体浮力材料,其特征在于,所述促进剂为DMP-30。
5.根据权利要求1所述的固体浮力材料,其特征在于,所述表面改性剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的固体浮力材料,其特征在于,所述空心玻璃微珠粒径分布在10~150微米,强度250~27000psi。
7.根据权利要求6所述的固体浮力材料,其特征在于,空心玻璃微珠的复配配比和方式:所述空心玻璃微珠采用至少两种进行复配,平均粒径均在20~60μm之间,且每一种玻璃微珠须有一定的粒径差,粒径差须在10~40μm之间,复配的空心玻璃微珠真实密度在0.2~0.6g/cm3,堆积密度在0.1~0.4g/cm3。
8.根据权利要求1所述的固体浮力材料的制备方法,其特征在于,采用表面活性剂对待用的空心玻璃微珠进行处理,将已处理的多种空心玻璃微珠按照配比称量并混合,将环氧树脂、固化剂、促进剂等按照比例配好在真空环境下预混合,将混合好的玻璃微珠加入到预混合的树脂体系中,30~80℃真空搅拌30~90min左右,真空脱泡混合均匀的物料浇注到模具中,在烘箱中进行后固化,先在100~120℃保温3小时左右,再在140~150℃保温2~4小时左右,得到浮力材料。
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GR01 | Patent grant | ||
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