CN104448719B - 有机与无机空心微球复配的深水浮力材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种有机与无机空心微球复配的深水浮力材料及制备方法。由质量份数比为不饱和树脂100份、固化剂2～4份、促进剂0.5～2份、有机空心微球10～15份和无机空心微球40份制成。本发明为海洋深水探测、海洋开发及相关用途的水下装置提供了一种浮力的浮力材料，该浮力材料是一种低密度、高强度、可加工性能优良的深水浮力材料。制备的深水浮力材料密度为0.40至0.45g/cm³；耐压强度30至35MPa，符合深海通用型材料要求。

Description

有机与无机空心微球复配的深水浮力材料及制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种浮力材料，本发明也涉及一种浮力材料的制备方法。具体地说是一种为海洋深水探测、海洋开发及相关用途的水下装置提供浮力的浮力材料及其制备方法。

背景技术

随着人们对自然资源需求的日益增长，陆地资源日渐枯竭，人们将目光投向了资源丰富的海洋领域。海洋深处广泛分布着多种元素的大洋多金属结核，海底石油和天然气储量约占世界总量的45％。要想开发和探测深水处的资源离不开海洋装备，而深海海洋装备需要浮力材料提供足够的净浮力。深水浮力材料的密度和耐压强度的大小，直接决定了深海装备的工作性能和工作深度。如何降低深水浮力材料的密度，提高深水浮力材料强度的研究越来越受到人们的重视。

目前国内外的深海浮力材料绝大部分都采用树脂为基体，填充无机空心微球来降低密度，但无机空心微球的填充有最大填充比例的限制，超过最大填充比后，虽然密度可以继续降低，但是树脂并不能完全包裹无机空心微球，同时树脂同无机空心微球的界面结合性能较差，最终制备的浮力材料耐压强度很低，并有较高的吸水率。公开号为CN103665758的专利文件中，公开了一种高强度固体浮力材料的制备方法，该方法采用空心微球添加纤维小球制备浮力材料，该类材料可应用在3000米水深，但其密度大于0.5g/cm³，长期服役吸水率较高。申请号为200410030821.6的专利文件中介绍了一种化学发泡法制备的固体浮力材料，材料密度小于0.33g/cm³，抗压强度仅为5.5MPa，不能应用于1000m以上水深。申请号为201010552911.7和201310065622.8的专利申请文件中使用玻璃微珠填充不饱和树脂常温制备浮力材料，但其制备的浮力材料密度小于0.45g/cm³时强度均小于13MPa，强度大于30MPa时密度均大于0.56g/cm³。以上公开文件均未报道可应用于水深2000m以上，耐压强度大于30MPa，密度小于0.45g/cm³的常温制备的深水浮力材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密度低、强度高、可加工性能优良的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料。本发明的目的还在于提供一种对设备要求较低、成型工艺简单、成本低的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料的制备方法。

本发明的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料由质量份数比为不饱和树脂100份、固化剂2～4份、促进剂0.5～2份、有机空心微球10～15份和无机空心微球40份构成。

所述有机空心微球为中空结构，粒径为20μm，密度为0.15g/cm³的高分子有机微球。

所述高分子有机微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球。

所述无机空心微球是粒径为80μm，密度为0.3g/cm³的空心玻璃微球。

所述空心玻璃微球的空心充有空气或者为真空。

所述不饱和树脂是环氧乙烯基树脂。所述固化剂选用过氧化甲乙酮作为引发剂。所述促进剂选用环烷酸钴或异辛酸钴促进剂。

本发明的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料的制备方法为：

(1)以质量份数计，取不饱和树脂100份、固化剂2～4份、促进剂0.5～2份，加入反应釜中，用搅拌棒搅拌混合均匀，得到树脂胶液；

(2)以质量份数计，取有机空心微球10～15份和无机空心微球40份加入真空搅拌机中，混合均匀得到混合微球；

(3)将所述树脂胶液加入到所述混合微球中，真空搅拌，搅拌速度25r/min，搅拌时间40min，混合均匀得到混合物料；

(4)将所述混合物料放入真空干燥箱中，常温真空脱泡；

(5)浇注到模具中，常温固化成型。

本发明为海洋深水探测、海洋开发及相关用途的水下装置提供了一种浮力的浮力材料，该浮力材料是一种低密度、高强度、可加工性能优良的深水浮力材料。其主要特征是一种用有机空心微球与无机空心微球复配制备的深水浮力材料。

本发明的制备方法的主要特点有：有机空心玻璃微珠与无机空心微珠低速搅拌混合法。不饱和树脂选用环氧乙烯基树脂；固化剂选用常温固化型固化剂，该常温固化型固化剂为过氧化甲乙酮；促进剂是环烷酸钴或异辛酸钴；有机空心微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球，选用的粒径为20μm，密度为0.15g/cm³；无机空心微球为空心玻璃微球，该中空玻微球选用的粒径为80μm，密度为0.3g/cm³。本发明通过各原料成分的的合理搭配，通过合适的工艺流程，制备的深水浮力材料密度较低，为0.40至0.45g/cm³；耐压强度30至35MPa，符合深海通用型材料要求。本发明的该成型方法对设备要求较低，成型工艺简单，成本低。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

实施例1：

分别按照表1配比有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料，具体制备方法为：

(1)以质量份数计，取100份不饱和树脂、固化剂2份、1份促进剂加入反应釜内，混合均匀，得到树脂胶液；

(2)以质量份数计，取10份有机空心微球、40份无机空心微球加入真空搅拌机中，混合均匀；

(3)将上述步骤1中得到的树脂胶液以及步骤2中得到混合空心微球加入真空搅拌机中，真空搅拌，搅拌速度25r/min，搅拌时间40min，混合均匀；

(4)将上述步骤3中得到的混合物料放入真空干燥箱中，常温下真空脱泡；

(5)将上述步骤4得到的物料浇注到各种模具中，按常温固化成型。

表1有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料重量份组分

	环氧乙烯基树脂	固化剂	引发剂	有机空心微球	无机空心微球
						实施例1	100	2	1	10	40

在表1中：固化剂选用过氧化甲乙酮；促进剂选用环烷酸钴或异辛酸钴；有机空心微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球，选用的粒径为20μm，密度为0.15g/cm³；所述无机空心微球为空心玻璃微球，该中空玻璃微球选用的粒径为80μm，密度为0.3g/cm³。

对实施例1成型的材料进行性能检测，抗压强度试件尺寸为50×50×50mm，吸水率试件尺寸为100×100×100mm，试验条件为静水压20MPa，保压24h。

表2实施例1的相关性能

由表2中可以看出，本发明涉及的有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料密度较低，密度为0.45g/cm³，耐压强度为35MPa，能够适用于2000m以上水深的海洋环境，特别是在等静水压20MPa下，保压24h吸水率小于1％。该有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料固化成型后仍可进行锯、刨、磨、镶嵌等机械加工及相关后续加工处理。并可选用多种柔性防水涂料进行表面涂覆，而且其基材与面漆粘合紧密。

实施例2：

分别按照表3配比有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料，具体制备方法为：

(1)以质量份数计，取100份不饱和树脂、固化剂2份、1份促进剂加入反应釜内，混合均匀，得到树脂胶液；

(2)以质量份数计，取12份有机空心微球、40份无机空心微球加入真空搅拌机中，混合均匀；

(3)将上述步骤1中得到的树脂胶液以及步骤2中得到混合空心微球加入真空搅拌机中，真空搅拌，搅拌速度25r/min，搅拌时间40min，混合均匀；

(4)将上述步骤3中得到的混合物料放入真空干燥箱中，常温下真空脱泡；

(5)将上述步骤4得到的物料浇注到各种模具中，按常温固化成型。

表3海洋深水管道用轻质保温隔热材料重量份组分

	环氧乙烯基树脂	固化剂	引发剂	有机空心微球	无机空心微球
						实施例2	100	2	1	12	40

在表3中：固化剂选用过氧化甲乙酮；促进剂选用环烷酸钴或异辛酸钴；有机空心微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球，选用的粒径为20μm，密度为0.15g/cm³；所述无机空心微球为空心玻璃微球，该中空玻璃微球选用的粒径为80μm，密度为0.3g/cm³。

对实施例2成型的材料进行性能检测，抗压强度试件尺寸为50×50×50mm，吸水率试件尺寸为100×100×100mm，试验条件为静水压20MPa，保压24h。

表4实施例2的相关性能

由表4中可以看出，本发明涉及的有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料密度较低，密度为0.44g/cm³，耐压强度为33MPa，能够适用于2000m以上水深的海洋环境，特别是在等静水压20MPa下，保压24h吸水率小于1％。该有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料固化成型后仍可进行锯、刨、磨、镶嵌等机械加工及相关后续加工处理。并可选用多种柔性防水涂料进行表面涂覆，而且其基材与面漆粘合紧密。

实施例3：

分别按照表5配比有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料，具体制备方法为：

(1)以质量份数计，取100份不饱和树脂、固化剂2份、1份促进剂加入反应釜内，混合均匀，得到树脂胶液；

(2)以质量份数计，取12份有机空心微球、40份无机空心微球加入真空搅拌机中，混合均匀；

(3)将上述步骤1中得到的树脂胶液以及步骤2中得到混合空心微球加入真空搅拌机中，真空搅拌，搅拌速度25r/min，搅拌时间40min，混合均匀；

(4)将上述步骤3中得到的混合物料放入真空干燥箱中，常温下真空脱泡；

(5)将上述步骤4得到的物料浇注到各种模具中，按常温固化成型。

表5海洋深水管道用轻质保温隔热材料重量份组分

	环氧乙烯基树脂	固化剂	引发剂	有机空心微球	无机空心微球
						实施例3	100	2	1	15	40

在表5中：固化剂选用过氧化甲乙酮；促进剂选用环烷酸钴或异辛酸钴；有机空心微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球，选用的粒径为20μm，密度为0.15g/cm³；所述无机空心微球为空心玻璃微球，该中空玻璃微球选用的粒径为80μm，密度为0.3g/cm³。

对实施例3成型的材料进行性能检测，抗压强度试件尺寸为50×50×50mm，吸水率试件尺寸为100×100×100mm，试验条件为静水压20MPa，保压24h。

表6实施例3的相关性能

由表6中可以看出，本发明涉及的有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料密度较低，密度为0.41g/cm³，耐压强度为30MPa，能够适用于2000m以上水深的海洋环境，特别是在等静水压20MPa下，保压24h吸水率小于1％。该有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料固化成型后仍可进行锯、刨、磨、镶嵌等机械加工及相关后续加工处理。并可选用多种柔性防水涂料进行表面涂覆，而且其基材与面漆粘合紧密。

本发明有机/无机空心微球复配制备深水浮力材料，其中有机空心玻璃微珠与无机空心微珠低速搅拌混合法。

本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故不再详细赘述。

本发明有机/无机空心微球复配制备的深水浮力材料的优点：材料配方灵活，可以根据产品使用水深在配方范围内调整各组分用量，达到与使用深度匹配的轻质材料；通过有空心微球和无机空心微球复配，极大地降低了浮力材料的密度，同时具有较高强度；密度为0.40至0.45g/cm³，耐压强度30至35MPa，符合深海通用型材料要求，质量优异，且该成型方法对设备要求较低，成型工艺简单，成本低。

本发明所述的不饱和树脂为环氧乙烯基树脂，具有粘度低、密度低、固化后强度高的特性。

本发明使用的有机空心微球粒径均匀、耐压强度高，同基体树脂界面结合力高。

本发明使用的无机微球空心玻璃微球粒径均匀、漂浮率较高，耐压性能良好。

本发明使用的固化剂选用常温固化型固化剂，可以有效保护有机空心微球的机械性能，确保浮力材料质量。使用的促进剂为钴盐类，能够有效的控制反应时间，有效的控制物料混合均匀。所述有机空心微球为中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球，选用的粒径为20μm，密度为0.15g/cm³；所述无机空心微球为中空玻璃微球，该中空玻璃微球选用粒径为80μm，密度为0.3g/cm³。依照复配原理，实现最紧密堆积，增加微球量，降低体系密度，保证材料质量。

本发明将有机空心微球、无机空心微球和不饱和树脂合理配合、有机结合并按照科学的固化成型工艺进行制备，因此制备出的深水浮力材料具有轻质、高强和致密性好的性能特点，且制备方法简单高效，便于操作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种有机与无机空心微球复配的深水浮力材料，其特征是：由质量份数为环氧乙烯基树脂100份、过氧化甲乙酮2份、环烷酸钴或异辛酸钴1份、粒径为20μm及密度为0.15g/cm³的中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球10份和粒径为80μm及密度为0.3g/cm³的中空玻璃微球40份构成。

2.根据权利要求1所述的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料，其特征是：所述空心玻璃微球的空心充有空气或者为真空。

3.一种有机与无机空心微球复配的深水浮力材料的制备方法，其特征是：

(1)以质量份数计，取环氧乙烯基树脂100份、过氧化甲乙酮2份、环烷酸钴或异辛酸钴1份，加入反应釜中，用搅拌棒搅拌混合均匀，得到树脂胶液；

(2)以质量份数计，取粒径为20μm及密度为0.15g/cm³的中空环氧树脂微球和/或聚乙烯空心微球10份和粒径为80μm及密度为0.3g/cm³的中空玻璃微球40份加入真空搅拌机中，混合均匀得到混合微球；

(3)将所述树脂胶液加入到所述混合微球中，真空搅拌，搅拌速度25r/min，搅拌时间40min，混合均匀得到混合物料；

(4)将所述混合物料放入真空干燥箱中，常温真空脱泡；

(5)浇注到模具中，常温固化成型。

4.根据权利要求3所述的有机与无机空心微球复配的深水浮力材料的制备方法，其特征是：所述空心玻璃微球的空心充有空气或者为真空。