CN110698815B - 一种高强度固体浮力材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度固体浮力材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高强度固体浮力材料及其制备方法。本发明制备流程均采用真空工艺进行控制，工艺过程简单可控，空心玻璃微珠填入模具中密封的过程、树脂体系预处理并胶注到模具的过程均采用高真空控制，此工艺制备的浮力材料可以最大程度的降低气孔的存在，制备得到致密结构、高强度的固体浮力材料，最高可以适用于11000米的海深。

Description

一种高强度固体浮力材料及其制备方法
技术领域
本发明属于固体浮力材料领域，具体涉及适用于ROV、AUV、HOV、隔水管、潜标等深海环境装备配套使用的固体浮力材料及其制备方法。
背景技术
固体浮力材料一般是通过树脂基体包覆无机微球形成的一种复合材料，在航空航天、深海领域、军工领域均有广泛的应用，尤其在深海装备方向应用最广，目前主要有化学发泡法、模压法等制备方法，浮力材料内部存在大量的气孔，降低了材料的力学性能。
专利CN106493889A公开了一种固体浮力材料浇注系统及其工艺，该系统主要包括控制模块、浇注系统、配料系统、真空模块和温控模块，控制制备过程中的温度、压力及真空度等，可以制备轻质、高强、吸水率低的浮力材料，但是该方法设备需要定制难以清洗。专利201510063729.8公开了一种通过树脂体系注入、浮力材料的固化、脱模等工艺制备得到的固体浮力材料，制备得到的固体浮力材料密度在0.35-0.65g/cm3之间，承压在30-65MPa之间，吸水率小于1％，但是该方法制备的浮力材料强度较低。专利CN103665768B公开了一种高强度固体浮力材料的制备方法，将偶联剂处理后的空心玻璃微珠与纤维小球分步、逐次加入树脂体系中，经搅拌均匀后得到原始浆料，将原始浆料进入注塑工序，脱模得到高强度固体浮力材料，密度在0.5-0.65g/cm3，抗压强度为50-120MPa，但是填料与树脂混合后粘度较大，体系内部的空气很难通过真空排出，因此会存在气孔等缺陷，造成浮力材料强度的下降。将陶瓷空心球/空心玻璃微珠采用振动自组装方法填充于模具中，经轻微振动振实后固定模具，将树脂基体混合均匀抽真空除气后用液体增加泵从模具的底部注入，直至模具上部有树脂渗出，封闭下部注入口，将模具置于烘箱中固化成型得到轻质高强固体浮力材料，此方法微珠填充率稍低，仍会有空隙，造成材料的密度偏大；另外，未经加热的树脂基体粘度较大导致注入困难造成材料性能较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度固体浮力材料，可应用在水深达4500米以上，制备得到的固体浮力材料具有结构致密、强度高等特点。本发明的另一目的是提供上述高强度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。
本发明的高强度固体浮力材料，其含有如下以质量份计的组分：
树脂100份；固化剂70-90份；稀释剂：0-8份，促进剂：0-3份；空心玻璃微珠25-100；表面改性剂0-3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)、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、甲基六氢苯酐酸酐类固化剂以及可与所选择的树脂配套的固化剂；所述稀释剂主要为环氧活性稀释剂，主要是在不影响浮力材料强度的前提下降低体系粘度，加快树脂体系注入模具中的速度；所述促进剂为DMP-30或N,N-二甲基苯胺等，主要是在满足操作时间的前提下尽可能加快体系的固化速度，缩短固化时间；所述表面改性剂为KH560等硅烷偶联剂，主要是对空心玻璃微珠进行预处理，增加玻璃微珠与树脂基体的结合力。
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，密度分布在0.1-0.6g/cm3，粒径分布在10-150微米，强度250-20000psi，可根据所需制备的浮力材料密度和强度进行选择。
本发明高强度固体浮力材料的制备方法：将环氧树脂、固化剂、稀释剂、促进剂等按照比例配好于一定温度下(20-65℃)在真空环境下预混合待用,去除体系内的空气。将理论计算的经过预处理空心玻璃微珠按质量称取分批次加入已处理的模具中，每次加入模具时均对模具施加真空压力，并置于双向振动台上振荡密实，重复此过程几次直至空心玻璃微珠全部紧密的堆积在模具中，然后将模具密封,模具放入30-65℃的烘箱中预热1小时。模具上方的出胶口与真空泵相连，下方的注胶口与树脂混合液相连，预处理的树脂混合液通过真空压力和增加泵压力(0-2MPa)的作用注入到模具中，其中胶注过程中树脂桶和模具需放置于具有一定温度的环境中(20-65℃)，待所有出胶口均有胶料溢出时停止注入。将模具移入烘箱中进行后固化，60-130℃保温3小时左右，在120-130℃保温2-4小时左右，脱模得到高强度固体浮力材料。
本发明的有益效果：本发明采用真空工艺制备得到浮力材料，其密度0.55-0.68g/cm3，静水压强度可达66-150MPa，安全系数可达到1.5倍，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。
附图说明
图1为本发明的工艺流程。
图2为本发明的简易试验装置图(其中出胶口可以有n个，尽可能均匀分布在模具上盖；注胶口一般为1个或2个)。
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
2040树脂、2047固化剂、稀释剂JX-017按照质量比100:32:5的比例机械搅拌均匀真空脱泡处理得到树脂混合液待用。采用KH-560表面活性剂对空心玻璃微珠表面进行预处理，其中KH-560的用量为空心玻璃微珠质量的1wt％。称取预处理的VS5500空心玻璃微珠50份，分三次加入到模具中，每次加入时均对模具施加真空压力，然后置于振动台上振荡直至空心玻璃微珠紧密堆积在模具中，然后密封模具,模具放入30℃烘箱中预热1h。将装有树脂混合液的树脂桶与模具下盖的注胶口相连，同时将增压泵接入树脂桶，将真空泵与模具上盖的出胶口相连，打开真空泵和增压泵开始胶注，控制增压泵压力为1MPa左右。直至所有的出胶口全部都有胶料溢出停止胶注过程。将胶注完成的模具移入烘箱中进行固化，60℃加热3h，100℃加热2h。冷却至室温后脱模得到浮力材料，该材料密度为0.60～0.62g/cm3，压缩强度71MPa，75MPa静水压环境下吸水率0.32％。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点是：所制备的高强度固体浮力材料所采用的树脂混合液为E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂、促进剂DMP-30，质量比100:85:1，机械搅拌真空脱泡处理的同时采用60℃加热处理，模具密封后的预热温度为65℃,胶注过程中树脂桶和模具处于65℃的环境中。另外采用的空心玻璃微珠为HGS8000X，质量分数为100份，固化温度为：模具移入烘箱中经过100℃3h+140℃2h。该材料密度为0.66g/cm3，压缩强度102MPa，150MPa静水压环境下吸水率0.41％。
对比例3
本对比例与实施例2的不同点是：所采用的树脂混合液为E-51环氧树脂、JX-015稀释剂、甲基四氢苯酐固化剂、促进剂DMP-30，质量比100:7:85:1，制备过程全程处于常温环境，未进行加热处理。该材料密度为0.667g/cm3，压缩强度90MPa，120MPa静水压环境下吸水率0.63％。
对比例4
本对比例与实施例2的不同点是：空心玻璃微珠加入到模具的过程中不进行真空负压处理。该材料密度为0.67g/cm3，压缩强度96MPa，130MPa静水压环境下吸水率0.76％。

Claims (8)

1.一种高强度固体浮力材料，其特征在于，含有如下质量份计的组分：
树脂100份；固化剂70-100份；稀释剂：0-8份，促进剂：0-1份；空心玻璃微珠25-100；表面改性剂0-3份，所述的高强度固体浮力材料的制备方法步骤如下：将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂按照比例配好于20-65℃温度下在真空环境下预混合待用,去除体系内的空气，将经过预处理空心玻璃微珠按质量称取分批次加入已处理的模具中，每次加入模具时均对模具施加真空压力，并置于双向振动台上振荡密实，重复此过程几次直至空心玻璃微珠全部紧密的堆积在模具中，然后将模具密封,模具放入30-65℃的烘箱中预热1小时；模具上方的出胶口与真空泵相连，下方的注胶口与树脂混合液相连，树脂混合液通过真空压力和增加泵压力0-2MPa的作用注入到模具中，其中胶注过程中树脂桶和模具需放置于具有20-65℃的环境中，待所有出胶口均有胶料溢出时停止注入，将模具移入烘箱中进行后固化，60-130℃保温3小时，在120-130℃保温2-4小时，脱模得到高强度固体浮力材料。
2.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述的树脂为双酚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、脂环族环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述固化剂为酸酐类固化剂。
4.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述稀释剂为环氧活性稀释剂。
5.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述促进剂为DMP-30或N,N-二甲基苯胺。
6.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述空心玻璃微珠密度分布在0.1-0.6g/cm3，粒径分布在10-150微米，强度250-20000ps。
7.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述表面改性剂为KH-560。
8.根据权利要求1所述的高强度固体浮力材料，其特征在于，所述预处理空心玻璃微珠为使用表面改性剂预处理空心玻璃微珠。
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