一种无机非金属固体浮力材料及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无机非金属固体浮力材料，该浮力材料的原料配方是：按质量份数计算，碱激发剂800份，偏高岭土100-200份，空心玻璃微珠350-450份，矿渣15-80份，硅烷偶联剂0-20份；所述碱激发剂模数为2.0。本发明还公开了上述无机非金属固体浮力材料的制作方法。本发明以碱激发胶凝材料作为浮力材料的基体，有利于节约大量能源和减少环境污染，使资源、能源和环境协调发展；本发明仅在制备过程中添加了少量的硅烷偶联剂(质量占比小于1％)，所得固体浮力材料为完全无机体系，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，密度低、机械强度高、吸水率低。
【专利说明】一种无机非金属固体浮力材料及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于碱激发胶凝材料和复合材料【技术领域】，特别涉及一种以碱激发胶凝材 料为基体制作的无机非金属固体浮力材料及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 辽阔的海域面积、丰富的海洋资源及海洋具有的重要地缘政治利益、军事安全利 益以及战略交通利益已引起我国的高度重视，并促进海洋开发科学不断向深度和广度扩 展，这就迫切需要能应用于高压、海水及盐雾腐蚀等不利条件下的轻质高强固体浮力材料， 以提高海洋仪器设备的有效载荷，保证其安全使用。
[0003] 固体浮力材料是一种以胶粘剂为基体、气体空穴为浮力调节介质的复合材料。按 照气体空穴来源的不同，固体浮力材料可以分为3大类：化学发泡浮力材料、空心微球浮力 材料和复合轻质浮力材料。目前，国内外主要围绕有机类固体浮力材料开展研宄，其是由无 机轻质填充材料，填充到有机高分子材料中，经物理化学反应得到的固态化合物。
[0004] 美、日、俄等国家从20世纪60年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于深海 海底的开发事业。美国海军应用科学研宄实验室研制的浮力材料，密度为〇. 35g/cm3时，抗 压强度为5. 5MPa。美国洛克希德导弹空间公司研制的浮力材料，密度为0. 45-0. 48g/cm3， 压缩强度为25MPa，可潜水深2430m。美国艾默生康明复合材料公司最近开发了 TG型和DS 型两种新型的两相复合泡沫材料。TG型材料密度为0. 38-0. 45g/cm3,可在0-4000m水深区 域使用；DS型密度在0. 50-0. 56g/cm3,最大使用深度超过11000m。日本海洋技术中心已在 1987年开始研制10000m深的水下机器人。俄罗斯目前也研制出6000m水深用的固体浮力 材料，密度为0. 7g/cm3,可耐压70MPa。
[0005] 相对于美、日、俄等深潜技术发达的国家，我国深海用固体浮力材料的研宄开发起 步较晚，其中前期研制的浮力材料一般为聚氨酯、环氧树脂等发泡塑料，与国外同等材料相 比，成本较低，但使用可靠性差，浸水一段时间后会因吸水失去浮力。
[0006] 1984年哈尔滨船舶工程学院采用空心树脂球、空心玻璃微珠、环氧树脂成功研制 了密度为0. 5g/cm3,抗压强度为28. 87MPa的固体浮力材料。青岛海洋化工研宄院于1995 年研制开发了化学发泡法轻质浮力材料，密度为〇. 33g/cm3,抗压强度为5. 5MPa，可潜水深 500m。目前，该院使用环氧树脂和空心玻璃微珠研制出密度为0. 55g/cm3时，耐压50MPa， 用于4500-5000m水深的可加工轻质固体浮力材料。2000年国家海洋技术中心开始进行以 空心玻璃微珠和环氧树脂粘合剂作为基料制备高强度轻质浮力材料的研宄，目前已在原料 配方、工艺、成型等核心技术方面取得了突破性进展，研宄开发的高强轻质浮力材料已在航 天、海洋、国防等诸多领域得到广范应用。
[0007] 虽然有机类固体浮力材料具有密度低、机械强度高、吸水率低、耐腐蚀等优点，但 是易老化、不耐高温的特点限制了其在高温等特殊条件下的应用。因此，需要研制出可在高 温条件下使用的无机类固体浮力材料。目前，国内外关于固体浮力材料的文献及专利报道 有很多，但大部分是针对有机类浮力材料展开研宄，如美国专利No. 4829094、4916173和中 国专利CN85106037A中介绍的浮力材料均是以空心微珠作为填充材料，用环氧树脂粘结而 成；日本专利No. 3141304提出在一个密闭的容器中加入玻璃微珠填充有机硅油，制成浮力 材料；中国专利CN200410030821.6介绍了一种由芯材和面材组成的固体浮力材料，芯材是 用化学发泡法制备的聚氨酯-环氧树脂硬质泡沫塑料，面材是由环氧树脂、聚硫橡胶、磷片 状填料、轻质填料、偶联剂及固化剂配成的阻水层。而关于无机类浮力材料的文献及专利 报道则很少，仅中国专利CN200710015641.4介绍了一种以陶瓷厂抛光废泥为原料，采用干 压、注塑成型，常温烧结，高温化学发泡法工艺制备的陶瓷材料作为基体，以环氧树脂作为 加强外壁制备的陶瓷基轻质高强浮力材料，基体密度为〇. 35g/cm3时，抗压强度多7MPa，环 氧树脂改性后的浮力材料密度为〇· 52g/cm3时，抗压强度多20MPa。此种浮力材料的缺点是 非完全无机体系，基体抗压强度较低，制备工艺较复杂。
【发明内容】
[0008] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种无机非金属固体浮力材料 及制作方法，该浮力材料具有密度低、机械强度高、吸水率低、耐腐蚀、不易老化和耐高温等 优点，可加工成多种形状的构件，能够满足深水工程的应用需要。
[0009] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种无机非 金属固体浮力材料，该浮力材料的原料配方是：按质量份数计算，碱激发剂800份，偏高岭 土 100-200份，空心玻璃微珠350-450份，矿渣15-80份，硅烷偶联剂0-20份。
[0010] 所述碱激发剂是采用水玻璃和氢氧化钠配制的，模数为2. 0。
[0011] 所述水玻璃采用模数为3. 8的钠水玻璃。
[0012] 所述偏高岭土的主要化学组成以氧化物形式表示为（wt% ) :Si0248.92、 Al203+Ti0247. 86、Fe2O3O. 59。
[0013] 所述空心玻璃微珠的规格型号为K15或S38HS。
[0014] 所述矿渣的主要化学组成以氧化物形式表示为（wt % ) :Si0233 . 5、CaO 41.3、 Α120315· 4、MgO 8. 0、Fe2O3O. 29、SO3O. 79。
[0015] 所述硅烷偶联剂的型号为ΚΗ-550、ΚΗ-560和ΚΗ-570中的至少一种。
[0016] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：上述无机 非金属固体浮力材料的制作方法，其工艺步骤是：
[0017] -）将高岭土置马弗炉中经600-900°C煅烧3h，并筛分成粒度小于190目的偏高 岭土粉末，备用；
[0018] 二）分别称取偏高岭土、碱激发剂、矿渣、硅烷偶联剂和空心玻璃微珠；
[0019] 三）将称取的偏高岭土、碱激发剂、矿渣和硅烷偶联剂加入到搅拌机中搅拌，在搅 拌的条件下，向搅拌机中加入空心玻璃微珠，使其混合均勾；
[0020] 四）将搅拌机中的物料取出后，填入成型模具中，
[0021] 五）将填有物料的模具放入干燥箱中，常压下在60-100°C固化16-24h，然后随炉 冷却至室温出炉；
[0022] 六）在脱模机上将模内材料从模具内分离出来，获得无机非金属固体浮力材料。
[0023] 所述碱激发剂是采用以下方法制备的：分别称取水玻璃和氢氧化钠，将两者加入 到搅拌机中搅拌，使其混合均匀，获得模数为2.0的碱激发剂，放在塑料瓶中密闭保存，备 用。
[0024] 所述步骤四），采用抽真空的方法或采用振动机振动的方法使模内物料密实。
[0025] 本发明具有的优点和积极效果是：碱激发胶凝材料以其无须高温煅烧、生产工艺 过程简单、可以大量节约能源和资源、污染小等优点，成为一种新型绿色环保高性能的胶凝 材料。本发明以碱激发胶凝材料作为浮力材料的基体，有利于节约大量能源和减少环境污 染，使资源、能源和环境协调发展；本发明仅在制备过程中添加了少量的硅烷偶联剂（质量 占比小于1 % )，所得固体浮力材料为完全无机体系，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能；并且 通过简单的固化制度和养护方案可使其获得较高的抗压强度，抗压强度多lOMPa，其材料原 料配方又使其具有较小的密度和较低的吸水率，吸水率< 2 %，密度0. 6-0. 7g/cm3,上述的 优良性能使其在水面拖航、水下拖曳、海洋石油平台、海底采矿、水下机器人、水下深潜器、 潜水钟、救生舱、浮体、军用轻型渡河装备等领域具有非常广阔的应用前景。
[0026] 综上所述，本发明相对于有机类固体浮力材料，由于无机非金属材料本身具有的 抗压强度高、耐高温、吸水率低和弹性模量小等性能优势，使无机非金属固体浮力材料可以 应用于高温等特殊环境中，能够满足深水工程的应用需要。
【具体实施方式】
[0027] 为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例进行说明： [0028] 实施例1 :
[0029] 一种无机非金属固体浮力材料，其原料配方是：按质量份数计算，碱激发剂800 份，偏高岭土 160份，空心玻璃微珠400份，矿渣30份，硅烷偶联剂10份。
[0030] 在本实施例中，所述碱激发剂是采用水玻璃和氢氧化钠配制的。所述水玻璃采 用模数为3. 8的钠水玻璃。所述偏高岭土的主要化学组成以氧化物形式表示为（wt%): Si0248. 92、Al203+Ti0247. 86、Fe2O3O. 59。所述空心玻璃微珠的规格型号为S38HS。所述矿 渣的主要化学组成以氧化物形式表示为（wt% ) :Si023 3 . 5、CaO 41. 3、Al20315. 4、Mg08. 0、 Fe2O3O. 29、SO3O. 79。所述硅烷偶联剂的型号为KH-550、KH-560和KH-570中的至少一种。
[0031] 上述无机非金属固体浮力材料的制备方法：
[0032] 一）将高岭土置马弗炉中经600-900°C煅烧3h，并筛分成粒度小于190目的偏高 岭土粉末，备用；分别称取水玻璃和氢氧化钠，将两者加入到搅拌机中搅拌，使其混合均匀， 获得模数为2. 0的碱激发剂，放在塑料瓶中密闭保存备用；
[0033] 二）分别称取偏高岭土、碱激发剂、矿渣、硅烷偶联剂和空心玻璃微珠；
[0034] 三）将称取的偏高岭土、碱激发剂、矿渣和硅烷偶联剂加入到搅拌机中搅拌，在搅 拌的条件下，向搅拌机中加入空心玻璃微珠，使其混合均勾；
[0035] 四）将搅拌机中的物料取出后，紧密地填入模具中，必要时，使用抽真空的方法或 采用振动机振动的方法使模内物料密实；
[0036] 在物料装模前，按照模具尺寸裁好脱模纸，将模具内部涂覆脱模剂、粘贴脱模纸。
[0037] 五）将填有物料的模具放入干燥箱中，常压下在60-100°C固化16_24h，然后随炉 冷却至室温出炉；
[0038] 六）在脱模机上将模内材料从模具中分离出来，获得无机非金属固体浮力材料。
[0039] 将经过上述步骤之后得到的无机非金属固体浮力材料进行裁剪、打磨，放入微机 控制全自动压力试验机，进行抗压强度测量，抗压强度10. 5MPa，经测试，其它性能参数如 下：密度0. 66g/cm3、吸水率1. 7 %。
[0040] 实施例2?9 :
[0041] 实施例2?9与实施例1的原料配方不同，操作步骤相同，操作步骤在此不再赘 述，实施例2?9的原料配方及材料性能如表1 :
[0042] 表1实施例2?9的原料配方及材料性能
【权利要求】
1. 一种无机非金属固体浮力材料，其特征在于，该浮力材料的原料配方是：按质量份 数计算，碱激发剂800份，偏高岭土 100-200份，空心玻璃微珠350-450份，矿渣15-80份， 硅烷偶联剂0-20份。
2. 根据权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述碱激发剂是采 用水玻璃和氢氧化钠配制的，模数为2. 0。
3. 根据权利要求2所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述水玻璃采用模 数为3. 8的钠水玻璃。
4. 根据权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述偏高岭土的主 要化学组成以氧化物形式表示为（wt% ) :Si0248. 92、A1203+Ti0247. 86、Fe2030. 59。
5. 根据权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述空心玻璃微珠 的规格型号为K15或S38HS。
6. 根据权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述矿渣的主要化 学组成以氧化物形式表示为（wt% ) :Si023 3 . 5、Ca0 41.3、Al20315.4、Mg0 8.0、Fe2030.29、 S030 . 79。
7. 根据权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂的 型号为KH-550、KH-560和KH-570中的至少一种。
8. -种如权利要求1所述的无机非金属固体浮力材料的制作方法，其特征在于，其工 艺步骤是： 一） 将高岭土置马弗炉中经600-900°C煅烧3h，并筛分成粒度小于190目的偏高岭土 粉末，备用； 二） 分别称取偏高岭土、碱激发剂、矿渣、硅烷偶联剂和空心玻璃微珠； 三） 将称取的偏高岭土、碱激发剂、矿渣和硅烷偶联剂加入到搅拌机中搅拌，在搅拌的 条件下，向搅拌机中加入空心玻璃微珠，使其混合均匀； 四） 将搅拌机中的物料取出后，填入成型模具中， 五） 将填有物料的模具放入干燥箱中，常压下在60-KKTC固化16-24h，然后随炉冷却 至室温出炉； 六） 在脱模机上将模内材料从模具内分离出来，获得无机非金属固体浮力材料。
9. 根据权利要求8所述的无机非金属固体浮力材料的制作方法，其特征在于，所述碱 激发剂是采用以下方法制备的：分别称取水玻璃和氢氧化钠，将两者加入到搅拌机中搅拌， 使其混合均匀，获得模数为2. 0的碱激发剂，放在塑料瓶中密闭保存，备用。
10. 根据权利要求8所述的无机非金属固体浮力材料的制作方法，其特征在于，所述步 骤四），采用抽真空的方法或采用振动机振动的方法使模内物料密实。
【文档编号】C04B28/00GK104446203SQ201410708438
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】张帆, 单丹, 尤健, 李霞, 赵春芳 申请人:天津中材工程研究中心有限公司, 天津水泥工业设计研究院有限公司