CN108314808B - 一种深海柔性浮力材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种深海柔性浮力材料，包括硫化后的液体橡胶和分散于所述硫化后的液体橡胶中的空心微珠；其中，所述液体橡胶和空心微珠的质量比为(130‑200):100。本发明实施例提供的深海柔性浮力材料是一种优异弹性材料，受到撞击时可缓冲外部冲击力，保护材料内部结构不被破坏，密度0.6～0.8g/cm³，40MPa压力下72小时吸水率小于1％，其服务水深可达到3200米,更优地，可达到3600米。

Description

一种深海柔性浮力材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及浮力材料技术领域，特别是涉及一种深海柔性浮力材料及其制备方法。

背景技术

众所周知，海洋的表面积约为3.6亿平方公里，约占地球总面积的71％。近现代以来，随着陆地资源的渐渐枯竭和人口数量的不断生长，人们才逐渐将目光投向更加广阔的海洋，尤其是深海领域。相比陆地资源，深海领域有着更多的资源。同时，深海领域也是国防建设的重要领域。因此，对深海探索成为人类的必要课题，对于深海领域探索所需材料和装置的开发研究也迫在眉睫。

目前主流的一种深海固体浮力材料是将玻璃微珠掺杂在环氧树脂基体中形成的，是一种坚硬，脆性和低密度的泡沫体。但是，这种硬质的浮力材料并不能满足所有深海工作的要求，如海底信号发射器装置，深海海底电缆，海底机器人探测与外界相连的脐带，深海油气开采中连接水面浮式装置的深海脐带缆等。这些装置或电气缆的包覆材料不仅要求低密度和低吸水率，而且还要求一定的柔性来满足材料在深海中自身蜷曲，伸张和抵抗外来的冲击力的能力。

美国专利US5606329，公开了一种用于潜艇通信的天线，该天线包裹于一种聚合物组合物内，并该聚合物组合物向其提供正浮力。天线在不使用时，缠绕成小尺寸置于潜艇内；使用时将其释放在海中，并使其漂浮在水面。该聚合物组合物是由质量比约为80％-85％的室温热固性聚合物，其粘度要求在固化前应为700-900厘泊，和15％-20％的直径约为20-100微米的微珠两部分组成，密度在0.51-0.65g/cm³之间，为产品带来正浮力的性能。由于潜艇的下潜深度一般不大于三百米，因此，上述的聚合物组合物适用于浅海。

不仅如此，该专利在具体实施方式部分指出，如果聚合物组合物中微球的比例超过一定限定度时，整体聚合物组合物的强度将降低到不可接受的水平，所以，其进一步指出：为了保持聚合物组合物的需柔性和强度，添加到聚合物中的微球的量不应大于组合物的20重量％。

由于该专利中所披露的聚合物组合物适用于浅海，不适于应用在深海领域，因此亟需一种能够适用于深海中，尤其是深度超过3000米的深海中的柔性浮力材料。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种深海柔性浮力材料及其制备方法，用于解决现有的柔性浮力材料使用水深较浅的问题。具体技术方案如下：

一种深海柔性浮力材料，包括硫化后的液体橡胶和分散于所述硫化后的液体橡胶中的空心微珠；其中，所述液体橡胶和空心微珠的质量比为(130-200):100。

在一种具体实施方式中，所述空心微珠选自空心玻璃微珠和/或空心陶瓷微珠。

在一种具体实施方式中，所述液体橡胶选自液体丁腈橡胶、液体硅橡胶、液体丁苯橡胶、液体顺丁橡胶及液体聚氨酯橡胶中的至少一种。

在一种具体实施方式中，所述材料的密度为0.6-0.8g/cm³，优选为0.61-0.7g/cm³。

在一种具体实施方式中，所述材料在40MPa压力下的72小时吸水率小于1％。

在一种具体实施方式中，所述材料的扯断伸长率为120-150％，拉伸强度为4-5MPa；撕裂强度12-15kN/m。

在一种具体实施方式中，所述材料在40MPa下体积变形率为10-15％。

在一种具体实施方式中，所述液体橡胶在100℃下测定的门尼粘度在2Pa·s至50Pa·s之间。

本发明还提从了上述的深海柔性浮力材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将空心微珠、液体橡胶、硫化剂按100:(130-200):(0.2-3)的质量比混合，真空除气后，得到混合料；

(2)将混合料注入到模具中，施加1-3MPa的压力；

(3)将混合料在所施加压力下硫化处理，得到深海柔性固体浮力材料。

在一种具体实施方式中，步骤(3)中，按85-95℃保温30-60分钟，然后115-125℃保温60-80分钟，最后160-170℃保温60-120分钟的硫化工艺进行硫化。

本发明实施例提供的深海柔性浮力材料是一种优异弹性材料，受到撞击时可缓冲外部冲击力，保护材料内部结构不被破坏，密度0.6～0.8g/cm³，40MPa压力下72小时吸水率小于1％，其适用深度可达到3000米,更优地，可达到3500米。

具体实施方式

本发明提供了一种深海柔性浮力材料，包括硫化后的液体橡胶和分散于所述硫化后的液体橡胶中的空心微珠；其中，所述液体橡胶和空心微珠的质量比为(130-200):100。

发明人经过广泛的研究，出人预料地发现，当液体橡胶和空心微珠的质量比为(130-200):100的范围内，所形成的材料不仅可以保持较高水平的柔性和强度，而且可适用于深海，其适用深度可达到3000多米。

液体橡胶经过硫化后，形成弹性材料，也可以称其为弹性橡胶；其可赋予本发明的深海柔性浮力材料柔性特性，并在材料受到撞击时可缓冲外部冲击力，保护材料内部结构不被破坏。

本发明所用的液体橡胶优选选自于液体丁腈橡胶、液体硅橡胶、液体丁苯橡胶、液体顺丁橡胶及液体聚氨酯橡胶中的至少一种。本发明所用的液体橡胶在100℃下测定的门尼粘度在2Pa·s至50Pa·s之间，优选在2Pa·s至20Pa·s之间，更优选在2Pa·s至10Pa·s之间。

本发明所用的空心微珠优选选自空心玻璃微珠和/或空心陶瓷微珠。考虑到比重，为了获得密度更小的深海柔性浮力材料，更优选空心玻璃微珠。

本发明提供的深海柔性浮力材料，其具有以下优异的性能：

浮力材料的密度为0.6-0.8g/cm³，优选为0.61-0.7g/cm³。较小的密度赋予了本发明的浮力材料更好的浮力。

浮力材料在40MPa压力下的72小时吸水率小于1％，浮力材料材料在40MPa下体积变形率为10-15％；这保证了本发明的浮力材料的服务水深(适用深度)最深可达到3200-3600米；服务水深通过以下方法测试：测定浮力材料在指定压力(本实施例测试40MPa)下的吸水率和体积变形率；当产品在指定压力下的吸水率满足72小时吸水率应小于3％，且在指定压力下的体积变形率满足体积变形率不大于20％这两个条件时，该指定压力下对应的水深×裕量系数(0.8-0.9)即可作为产品的服务水深。其中，压力与对应的水深换算关系为：10MPa相当于1千米水深。裕量系数可以根据变形率的大小进行调整，并规定，当体积变形率不大于10％时，裕量系数取0.9；当体积变形率大于10％，但不大于20％时，裕量系数取0.8。

浮力材料的扯断伸长率为120-150％，拉伸强度为4-5MPa；撕裂强度12-15kN/m。上述优异的机械性能，使得本发明提供的浮力材料可以抵抗深海中极为苛刻的条件。

本发明还提供了上述深海柔性浮力材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将空心微珠、液体橡胶、硫化剂按100:(130-200):(0.2-3)的质量比混合，真空除气后，得到混合料；

(2)将混合料注入到模具中，施加1-3MPa的压力；

(3)混合料在所加压力下硫化处理，得到深海柔性固体浮力材料。

在本文中，术语“硫化剂”有时也称为固化剂，指的是能使线型分子相互键合交联成网状结构的物质，包括但不限于硫磺。进一步地，根据硫化的需要，在硫化过程中，还可以加入促进剂及活性剂等助剂。例如，可以按空心微珠、液体橡胶、硫化剂、促进剂、活性剂质量比100:(130-200):(0.2-3):(1-3):(1-5)的比例加入。在上述制备方法中，所用到的硫化剂、促进剂及活性剂等可以根据所用的液体橡胶来选择与其配套的、常规的硫化剂、促进剂及活性剂等，这些常规技术本发明在此不进行限定。

在本发明的具体实施过程中，步骤(3)中，对于某些需要高温硫化(也可以称为固化)的液体橡胶，例如液体丁腈橡胶，可以按85-95℃保温30-60分钟，然后115-125℃保温60-80分钟，最后160-170℃保温60-120分钟的硫化工艺进行硫化。

而对于某些常温即可硫化的液体橡胶，例如液体硅橡胶，在室温下固化即可。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将空心玻璃微珠(美国3M公司，HGS8000X，密度0.42g/cm³)2000g、液体丁腈橡胶(LNBR820，上海品盛化工有限公司)2600g、硫磺4g、二硫化四甲基秋兰姆50g和氧化锌40g(质量比为100:130:0.2:2.5:2)机械搅拌混合，经真空除气备用。

(2)将上述混合物放入模具，加压到2MPa。

(3)在2MPa压力下，按85℃保温30分钟，然后115℃保温60分钟，最后160℃保温120分钟的硫化工艺进行硫化。硫化结束后将硫化好的材料从模具中取出即得到深海柔性固体浮力材料。

实施例2

(1)将空心玻璃微珠(美国3M公司，HGS8000X，密度0.42g/cm³)2000g、液体硅橡胶(深圳市红叶杰科技有限公司，620A)2600g、特种固化剂(深圳市红叶杰科技有限公司，620B)(硫化剂)30g(质量比为100:130:1.5)机械搅拌混合，经真空除气备用。

(2)将上述混合物放入模具，加压到3MPa。

(3)在上述压力下室温放置10小时固化。固化结束后将固化好的材料从模具中取出即得到深海柔性固体浮力材料。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于：将空心玻璃微珠2000g、液体丁腈橡胶3000g、硫磺16g、二硫化四甲基秋兰姆20g、氧化锌20g(质量比为100:150:0.8:1:1)混合。

实施例4

实施例4与实施例1的不同之处在于：将空心玻璃微珠2000g、液体丁腈橡胶4000g、硫磺16g、二硫化四甲基秋兰姆20g、氧化锌20g(质量比为100:200:0.8:1:1)混合。

实施例5性能测试

对实施例1-4所制得的柔性固体浮力材料进行各项性能测试，包括：外观、密度、耐静水压、吸水率、扯断伸长率、撕裂强度、拉伸强度及体积变形率，测试结果如表1所示。

各性性能的测试方法如下：

(1)外观：通过裸眼观察；

(2)密度：把材料样品用GTQTM5000型精密切割机切出规则的5个长方体块状实验样品，测出各边长度，计算出体积；采用称量精度为0.0001g的电子分析天平(型号:FA2004A)准确称量出长方体块的质量，用质量除以体积即为样品密度。

(3)吸水率：每种配比的材料在精密切割机上切割出5个尺寸约为10×10×25mm的长方体块样品，测出原始质量m₀。每种配比的样块放入静水压检测装置中，打压至40MPa保压72小时，取出擦干表面水分后称量其质量m₁。吸水率按照下式计算：

吸水率＝(m₁-m₀)/m₀×100％

(4)扯断伸长率、撕裂强度及拉伸强度：扯断伸长率、撕裂强度及拉伸强度性能测试参照GB/T 528-2009，选取哑铃状试样I型,在万能试验机按标准进行测试。

(5)体积变形率：

将样品切成直径为D、高度为H的圆柱形(H不大于D)，放入与样品直径相等的钢制圆形模具中。用万能压力试验机对样品进行压缩，待压头和样品接触后，记录压缩过程中压力达到指定压力(本实施例测试40MPa)时压头位移Z数据。位移Z除以原始高度H即为样品在指定压力下的体积收缩率。

(5)服务水深：测定产品在指定压力(本实施例测试40MPa)下的吸水率和体积变形率；当产品在指定压力下的吸水率满足72小时吸水率应小于3％，且在指定压力下的体积变形率满足体积变形率不大于20％这两个条件时，该指定压力下对应的水深×裕量系数(0.8-0.9)即可作为产品的服务水深。需要说明的是，压力与对应的水深换算关系为：10MPa相当于1千米水深。裕量系数可以根据变形率的大小进行调整，并规定，当体积变形率不大于10％时，裕量系数取0.9；当体积变形率大于10％，但不大于20％时，裕量系数取0.8。

表1实施例1-4所制得的柔性固体浮力材料的性能

注：纯液体丁腈橡胶密度0.92g/cm³；纯硅橡胶密度1.11g/cm³。

从表1中可以看出，本发明所提供的深海柔性浮力材料，其具有优异的柔性和强度，而且可以应用在3000米以下的深海环境中。

以上对本发明所提供的一种深海柔性浮力材料及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理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方法及其中心思想。应当指出，对于本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。

Claims (11)

1.一种深海柔性浮力材料，其特征在于，包括硫化后的液体橡胶和分散于所述硫化后的液体橡胶中的空心微珠；其中，所述液体橡胶和空心微珠的质量比为(130-200):100。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述空心微珠选自空心玻璃微珠和/或空心陶瓷微珠。

3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述液体橡胶选自液体丁腈橡胶、液体硅橡胶、液体丁苯橡胶、液体顺丁橡胶及液体聚氨酯橡胶中的至少一种。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料的密度为0.6-0.8g/cm³。

5.如权利要求4所述的材料，其特征在于，所述材料的密度为0.61-0.7g/cm³。

6.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在40MPa压力下的72小时吸水率小于1％。

7.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料的扯断伸长率为120-150％，拉伸强度为4-5MPa；撕裂强度12-15kN/m。

8.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在40MPa下体积变形率为10-15％。

9.如权利要求1-8中任一项所述的材料，其特征在于，所述液体橡胶在100℃下测定的门尼粘度在2Pa·s至50Pa·s之间。

10.权利要求1-9中任一项所述的深海柔性浮力材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将空心微珠、液体橡胶、硫化剂按100:(130-200):(0.2-3)的质量比混合，真空除气后，得到混合料；

(2)将混合料注入到模具中，施加1-3MPa的压力；

(3)将混合料在所施加压力下硫化处理，得到深海柔性固体浮力材料。

11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，按85-95℃保温30-60分钟，然后115-125℃保温60-80分钟，最后160-170℃保温60-120分钟的硫化工艺进行硫化。