空心玻璃微珠固体浮力材料生产工艺及材料性能检测研究.pdf

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1、第33卷第5期2014年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．5Oct．2014空心玻璃微珠固体浮力材料生产工艺及材料性能检测研究关宏韬，冯志涛，贾立双，李家军，李墨(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：固体浮力材料具有密度低、耐压高、吸水率低、稳定等特点，是一种理想的低密度高强度的轻质耐压复合材料。以玻璃微珠为填料，充分利用其微态、轻质、中空等优势，并借助环氧树脂与固化剂之间在一定条件下产生的固化反应，研制生产一种新型的玻璃微珠固体浮力材料。该材料具备高强度、低密度、耐腐蚀、可加工性强等

2、优点，符合目前海洋水下监测平台的大深度、复杂环境的实际需求。目前，该浮力材料在西太平洋通过了la时间的现场布放试验，试验结果良好，并且在多种水下监测平台中已得到了实际应用。关键词：固体浮力材料；环氧树脂；空心玻璃微珠；水下监测平台中图分类号：P7l。ITQ323文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)05—0091—05采用空心玻璃微珠填充环氧树脂等填料的高强度固体浮力材料具有以下优点：①密度低，其密度仅为海水的一半或者更低，能为水下监测平台提供足够的浮力，并且优化其水下姿态。②吸水率低(≤1％)，强度高，抗冲击性能、耐腐蚀性强

3、，保证水下监测平台的安全可靠。③具有优良的机械可加工性能，可按水下监测平台所需的形状、尺寸进行任意加工。④可根据空心玻璃微珠的物理性能、添加环氧树脂及固化剂等填料的物理性能比例确定其密度，制作出的浮块美观实用，并且材料无毒无害，对环境无污染。目前空心玻璃微珠固体浮力材料已经广泛应用于深潜器、海洋调查潜标、AUV、座底式海床基、地热探针等多种水下监测平台。1利用空心玻璃微珠作为填充物的固体浮力材料的研制过程1．1固体浮力材料的选材本文研究的固体浮力材料主要是以空心玻璃微珠为原料，环氧树脂等添加剂为基体制作的浮力材料。空心玻璃微珠的主要成分为Si

4、O：和A1：O，，粒度为10—250斗m，壁厚为l～2斗m。空心玻璃微珠的特点是空心结构、密度小、导热率低，可以大幅度降低复合材料的密度，并且强度高，肉眼看来是一些可流动的粉体，其个体是一种薄壁密封球体。空心玻璃微珠作为一种固体浮力材料的填料，其应用价值逐渐被认识。文中采用的是3M高性能空心玻璃微珠，其主要性能指标如表1所示。收稿日期：2014—06—24基金项目：国家自然科学基金资助项目(41306093)作者简介：关宏韬(1985一)，男，助理工程师，主要研究方向为固体浮力材料与系留结构。E—mail：403469793@qq．corn9

5、2海洋技术学报第33卷通过多次试验，采用K15的微珠制作出的固体浮力材料典型密度为0．38g／cm3，耐压3MPa；采用K20的微珠制作出的固体浮力材料典型密度为o．42g／cm3，耐压6MPa；采用$32的微珠制作出的固体浮力材料典型密度为o．49g／cm3，耐压15MPa；采用K46的微珠制作出的固体浮力材料典型密度为0．60g／cm3，耐压60MPa。要制作高强度固体浮力材料，只以玻璃微珠为填料是不够的，还需要高强度树脂与固化剂作为添加剂进行混合、加工产生固体浮力材料。微观上讲，环氧树脂是指分子结构中含有环氧基团的高分子化合物。环氧树脂

6、根据自身的分子结构，具有以下特点：①热塑性树脂，具有热固性，能与多种固化剂、催化剂及添加剂形成多种性能优异的固化物；②树脂的工艺性好；③有很强的强度和粘接强度；④有较高的耐腐蚀性和电性能；⑤有一定的韧性和耐热性。所以本文优先采用环氧树脂作为固体浮力材料的添加剂。环氧树脂的物理形态分为液态、半固态、固态。环氧树脂的环氧值和粘度越高，其生成的固化物韧性越强，硬度越差，因此须根据固体浮力材料的韧性和硬度来选择环氧树脂。环氧树脂本身不能形成固化物，只有和固化剂反应才能生成三维网状结构的不溶的固化物。固化剂分为显在型和潜伏型，显在型固化剂又分为加成聚合

7、型和催化型。聚合型固化剂可打开环氧树脂中的环氧基进行加成聚合反应。固化剂本身参加到已形成的三维网络中，需有一个合适的加入量。催化型固化剂则以阳离子或阴离子方式使环氧基开环进行加成聚合，其本身不参加到三维网络中，其中增加添加量可以促使其加速反应。其中聚合型又分为多元胺类和酸酐类，胺类固化剂具有室温固化、配比范围比较宽、几乎无毒、无挥发性、对皮肤刺激性很小的优点，所以本文优先采用胺类固化剂。1．2固体浮力材料的制作工艺在制作固体浮力材料的过程中，环氧树脂虽然是液态，但其粘稠度较高，约为11500—15000MPa·S／25℃，因此需要对环氧树脂添

8、加稀释剂，以利搅拌。胺类固化剂是呈棕黄色的透明粘稠液体，其胺值为200～240mgKOH／g，粘度为30000—60000MPa·s／25％，为使环氧树脂与固化剂更