一种防水性气象气球及其生产方法与流程

本发明涉及一种探测空中气象的运载工具及其生产方法，特别涉及一种防水性气象气球及其生产方法。
背景技术：
：气象气球是携带探空仪器进行空中气象要素(温度、湿度、风向、风力、气压等)探测的一种最便捷、经济的运载工具，广泛用于航空、航天、航海、作战和军事科研等领域。以天然胶乳为主体原材料制成的气象气球具有吸水性，气球吸水后球皮溶胀，吸水率约为20％。气球在阴雨天气下施放，除负重增大、有效负载减少和升速降低外，更为不利的是，在飞行过程中遇到大气中的水滴，随即就会被球皮吸收，气球飞行至大气温度为零度区域，球皮自然积冰，气球继续飞行，随大气温度进一步的降低，球皮逐渐向玻璃态转变而产生脆化，气球飞行至大气温度极低对流层，原有的良好膨胀性完全丧失，气球穿过对流层后，大气温度回升，球皮自身要尽快从玻璃态恢复至原有的良好弹性态，一旦球皮不能完成由玻璃态到弹性的转变，气球在穿过大气温度极低区域不远处必然爆破，也就不能飞行至极限高度。在白天且是晴天施放的气球，在穿过云层和高湿度层后，遇到的是明媚、灼热的太阳，受阳光的作用，即使球皮积冰，球皮的弹性也会尽快得到恢复。但是，在阴雨天或是晚上施放的气球，在没有阳光的作用下，球皮的弹性不容易得到恢复，特别是遇到高湿度层越高、对流层温度越低的天气，球皮几乎完全丧失弹性恢复的可能，气球在对流层高度附近区域爆破的几率就越大。气球具有吸水性是造成气球出现高度不达标的主要原因。公开号为cn102508320a的中国专利公开了一种有防水保护层的高空气球及加工方法，该方法通过在现有的气象探空气球的外表面上涂上一层油类涂层，从而改进气象探空气球的防水性能，提高气象气球在下雨天及潮湿天气环境下的施放高度，但是存在以下缺点：油类物会被气球大量吸收，一方面导致气球自身重量增大，有效负载降低，对气球的升空高度极为不利，另一方面材料被气球吸收后，还会对气球的物理机械性能如拉伸、爆破和防老化性能产生不利的影响，处理过的气球即时施放尚可，若是经过一定时间存放后再进行施放，其施放高度不仅不能达到预期的高度，相反比未经处理气球的还要差；另外，该涂层的疏水性有限，并且操作繁琐、实用性有限。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，克服以上
背景技术：
中提到的不足和缺陷，提供一种防水性气象气球，所述气象气球利用一些具有疏水性功能的合成材料，通过必要的工序在气球表面制备一层能起到疏水作用的分子膜乃至纳米膜，当施放气球遇到水后，随即成珠并快速分散排掉，从而解决气象气球在阴雨天或湿度较大天气施放因表面吸水出现积冰进而加速脆化提前爆破，达不到业务高度要求的问题。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种防水性气象气球，所述气象气球包括气球基体和涂覆于气球基体表面的疏水膜，所述疏水膜的成分包括：疏水主剂8.5-11.5份、增溶剂1-3份、有机成膜剂0.1-0.3份和水85.2-90.4份；所述疏水主剂为有机硅疏水剂、有机氟疏水剂中的一种或多种的复配。本发明的机理是，有机硅和有机氟水基合成疏水剂为小分子量硅氧烷、硅烷及有机氟化合物混合乳液，由于硅氧烷和硅烷及有机氟上既含有憎水性优良的氟烃基、甲基、辛基，又含有遇水易水解和缩合的的硅氢基活性基团，当疏水剂小分子渗透到气象气球的毛细孔后，便渗透气球的内部，疏水剂中的硅氢键与气球内的羟基在锌离子的作用下缩合成防水的网状结构，使毛细孔堵塞，生成憎水膜，气球遇水后，疏水膜阻止水份进入，从而起到了疏水防湿的作用。其中，主要以有机硅所产生的化学反应最为主要，反应式如下：注：r为甲基、辛基、氟烃基等。此化学反应是保证所形成的疏水膜能牢固附着在气球表面的关键。市场上疏水剂的品种和类型较多，通过筛选，我们发现有机硅和有机氟类疏水剂可应用于气象气球。在进行疏水气球耐水喷淋的实验中，我们发现使用其中的任意一种疏水剂的耐水喷淋的时间都要比用两种或三种疏水剂疏经一定复配的耐水喷淋的时间要短，而且使用经复配的疏水剂的气球疏水效果比单一用一种水剂疏水效果更佳，因此，进行疏水剂乳液复配的目的在于使疏水膜能牢固附着在气球表面上，不容易被雨水冲刷掉，使气球在工作时保持良好的疏水性能，更重要的是气球用经复配的疏水剂，疏水性能更佳。进一步的，所述有机硅疏水剂是由聚甲基氢硅氧烷10-12.5份、羟基聚二甲基硅氧烷聚6-7.5份、二甲基硅氧烷4-5份、山梨醇酐单硬脂酸酯4.3-5.5份、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯5.6-7.3份、壬基酚聚氧乙烯醚0.1-0.2份、和去离子水62-70份混合加热后再经机械乳化制成的乳液产品；所述聚甲基氢硅氧烷的含氢量为1.5％～1.6％，烃基分子量在35％～40％范围；所述羟基聚二甲基硅氧烷的羟基含量为6.0％～12.0％，烃基分子量在35％～40％范围；所述二甲基硅氧烷的烃基分子量在35％～40％范围。进一步的，所述有机氟疏水剂是是通过单体自由基乳液聚合工艺，将含氟烷基及长链烷基与甲基含氢硅油反应制成的乳液产品；甲基含氢硅油、含氟烷基、长链烷基三者比例为10:(6～8.5)：(6～8)；所述含氟烷基为甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸全氟辛基乙酯、丙烯酸全氟辛基乙酯中的一种或两种；所述长链烷基为甲基丙烯酸十八烷基酯、丙烯酸十八烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯中的一种或两种；所述甲基含氢硅油的含氢量为0.1％～1.8％。进一步的，所述有机硅疏水剂与有机氟疏水剂的复配比例为8.5～10:1.5～3。进一步的，所述增溶剂为乙醇、聚丙二醇-600中的一种。聚丙二醇-600不易燃，无刺激性，适用性更佳。增溶剂的作用是增大疏水剂在气球表面的附着量，提高气球的疏水效果。进一步的，所述有机成膜剂为醋酸锌、硬脂酸锌中的一种。醋酸锌可溶于水，而硬脂酸锌则要事先配制，所以醋酸锌最为适宜应用。有机成膜剂的作用使疏水剂以小分子的形式固化附着在气球表面，确保疏水效果的持续有效。进一步的，所述疏水膜的厚度小于100nm。进一步的，所述气象气球的质量为750-795g，球身长度为2.3±0.2m，球柄宽度小于10cm，球柄长度大于11cm。本发明还提供一种防水性气象气球的制备方法，如图1所示，主要包括如下步骤：(1)将疏水主剂、增溶剂和有机成膜剂调配后用水稀释，配制成浓度约10％的疏水剂溶液；(2)制备未经过硫化干燥的气球本体1；(3)用配制好的疏水剂溶液浸泡气球本体1；(4)将浸泡处理后的气球晾干，再进行硫化干燥、检查、包装。本发明还提供一种防水性气象气球的制备方法，如图2所示，主要包括如下步骤：(1)将疏水主剂、增溶剂和有机成膜剂调配后用水稀释，配制成浓度约10％的疏水剂溶液；(2)制备经过硫化干燥的气球本体2；(3)用配制好的疏水剂溶液浸泡气球本体2；(4)将浸泡处理后的气球晾干，再进行干燥、检查、包装。经充气定型的气球要经硫化才能满足使用，但气球在硫化过程会产生收缩。经充气定型后而未硫化的气球即气球硫化前，这时自然状态下气球的比表面积比硫化后气球的比表面积大，经测算，这时气球的体积与硫化后气球要穿过大气中的最高云雨层时膨胀的体积相当，此时，对硫化前气球进行疏水膜制备，用疏水剂处理气球再进行硫化，除硫化过程的高温度有利于疏水剂在气球表面产生化学反应外，更主要是疏水剂在气球表面的分布密度大，可以弥补气球升空过程中因其体积膨胀，附着在气球表面的疏水剂小分子间隙随之增大，疏水效果会越来越弱减弱的问题。与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明所述防水性气象气球的制备方法不改变现行气象气球生产配方及工艺，在现行气球生产工艺气球硫化前或硫化后，增加一道气球表面疏水膜制备工序。整个生产过程，原材料和另外添置设备投入不大，工艺简单、便利、可行，操作安全环保，可靠性强。2、本发明制备的疏水膜疏水性能优良，对气球原有静态和动态性能没有任何不良的影响，疏水膜与球皮粘结牢固，不会因雨淋冲刷而失效，疏水膜不污染气球，不改变其原有颜色。3、本发明制备的疏水膜，除疏水防潮外，还起到了很好的隔离作用，可以消除气球定型时因使用滑石粉使气球在硫化、检验、包装甚至使用时而带来的严重粉尘污染，对人身健康，改善生产环境意义重大。4、本发明制备的防水性气象气球施放时与现行操作一样便利；成型在气球表面的疏水膜其重量增加并不明显，充氢量与晴好天气一样，不会因天气变化后需要加大充氢量，以克服气球遇到水分后负重增加以及云、雨层对气球上升产生阻碍的不利影响，节省氢气，最为重要的是气球充入适宜的氢气更容易使其飞行至极限高度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明防水性气象气球成型和在硫化干燥前制备疏水膜的工艺流程图。图2为本发明防水性气象气球成型和在硫化干燥后制备疏水膜的工艺流程图。具体实施方式为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例和说明书附图对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1：本实施例防水性气象气球的制备工艺如图1所示。1、疏水剂的配制本实施例33％有机硅疏水剂由含氢量为1.5％，烃基分子量为35％的聚甲基氢硅氧烷12份、羟基含量为6.0％，烃基分子量为35％的羟基聚二甲基硅氧烷6份、烃基分子量为35％的二甲基硅氧烷4.5份、山梨醇酐单硬脂酸酯4.5份、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯5.9、壬基酚聚氧乙烯醚0.1份及水67份混合加热后再经机械乳化制成的乳液产品。表1实施例1中疏水剂各组分含量配比组分干比湿比33％有机硅疏水剂1030聚丙二醇-6002.52.520％醋酸锌0.21去离子水66.5注：干比是指物料在无水状态下几种材料的配合比例，湿比则是指物料以有水的形态存在时几种物料的配合比例，干比除以物料的固含量即为湿比。以表1数据为例，有机硅疏水剂干比为10，固含量为33％，湿比即10/33％＝30；聚丙二醇-600不含水，所以干比即为湿比；醋酸锌干比0.2，固含量20％，湿比即0.2/20％＝1。计算实际所需经调配物料总量，相应扩大或缩小表中各物料湿比的同一倍数，即为各物料的实际称量。分别称取33％有机硅疏水剂3kg、0.25kg聚丙二醇-600、20％的醋酸锌0.1kg和去离子水6.65kg于容积适宜的容器中，搅拌5～10分钟，混合均匀后备用。2、疏水膜制备工艺(1)将充气定型后的气球浸泡在按上述表1所述的各组分含量配比制备的疏水剂中，翻动气球，使其外表面不留死角全部被疏水剂覆盖。将疏水剂处理后的气球停放6小时，在30～40℃下晾干；(2)将步骤(1)晾干后的气球在温度110℃、蒸气压为1.433mpa的蒸汽硫化罐中硫化15分钟；再在温度85～90℃常压间接汽硫化罐干燥30分钟，而后将气球从硫化罐中取出，对气球进行翻面，随即将翻面后的气球再放入硫化罐干燥30分钟，直至气球表面完全干燥；(3)将硫化干燥后的气球通过检验、包装即制得编号为1的疏水气象气球。实施例2：本实施例防水性气象气球的制备工艺如图1所示。1、疏水剂的配制本实施例33％有机硅疏水剂由含氢量为1.5％，烃基分子量为35％的聚甲基氢硅氧烷12份、羟基含量为6.0％，烃基分子量为35％的羟基聚二甲基硅氧烷6份、烃基分子量为35％的二甲基硅氧烷4.5份、山梨醇酐单硬脂酸酯4.5份、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯5.9、壬基酚聚氧乙烯醚0.1及水67份混合加热后再经机械乳化制成的乳液产品；本实施例8％有机氟疏水剂由含氢量为0.1％的甲基含氢硅油20份、甲基丙烯酸全氟辛基乙酯15份、甲基丙烯酸十二烷基酯15份，经化合物单体自由基乳液聚合工艺制得的产品。表2实施例2中疏水剂各组分含量配比分别称取33％有机硅疏水剂3kg、8％有机氟疏水剂fs-15011.875kg、0.25kg聚丙二醇-600、20％的醋酸锌0.1kg和去离子水4.775kg于容积适宜的容器中，搅拌5～10分钟，混合均匀后备用。2、疏水膜制备工艺(1)将充气定型后的气球浸泡在按上述表2所述的各组分含量配比制备的疏水剂中，整理，停放6小时，在30～40℃下晾干；(2)将步骤(1)晾干后的气球在温度110℃、蒸气压为1.433mpa的蒸汽硫化罐中硫化15分钟；再在温度85～90℃常压间接汽硫化罐干燥30分钟，而后将气球从硫化罐中取出，对气球进行翻面，随即将翻面后的气球再放入硫化罐干燥30分钟，直至气球表面完全干燥；(3)将硫化干燥后的气球通过检验、包装即制得编号为2的疏水气象气球。实施例3：本实施例防水性气象气球的制备工艺如图1所示。1、疏水剂的配制本实施例33％有机硅疏水剂由含氢量为1.5％，烃基分子量为35％的聚甲基氢硅氧烷12份、羟基含量为6.0％，烃基分子量为35％的羟基聚二甲基硅氧烷6份、烃基分子量为35％的二甲基硅氧烷4.5份、山梨醇酐单硬脂酸酯4.5份、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯5.9、壬基酚聚氧乙烯醚0.1及水67份混合加热后再经机械乳化制成的乳液产品；本实例14％有机氟疏水剂由含氢量为1.8％的甲基含氢硅油20份、甲基丙烯酸全氟辛基乙酯16.3份、甲基丙烯酸十八烷基酯8份、甲基丙烯酸十二烷基酯7.5份，经化合物单体自由基乳液聚合工艺制得的产品。表3实施例3中疏水剂各组分含量配比组分干比湿比33％有机硅疏水剂103014％有机氟疏水剂fs-15021.510.71聚丙二醇-6002.52.520％醋酸锌0.21水55.79分别称取33％有机硅疏水剂3kg、14％有机氟疏水剂fs-15021.07kg、0.25kg聚丙二醇-600、20％的醋酸锌0.1kg和去离子水5.579kg于容积适宜的容器中，搅拌5～10分钟，混合均匀后备用。2、疏水膜制备工艺(1)将充气定型后的气球浸泡在按上述表3所述的各组分含量配比制备的疏水剂中，整理，停放6小时后，在30～40℃下晾干；(2)将步骤(1)晾干后的气球在温度110℃、蒸气压为1.433mpa的蒸汽硫化罐中硫化15分钟；再在温度85～90℃常压间接汽硫化罐干燥30分钟，而后将气球从硫化罐中取出，对气球进行翻面，随即将翻面后的气球再放入硫化罐干燥30分钟，直至气球表面完全干燥；(3)将硫化干燥后的气球通过检验、包装即制得编号为3的疏水气象气球。实施例4：本实施例防水性气象气球的制备工艺如图1所示。1、疏水剂的配制本实施例33％有机硅疏水剂由含氢量为1.5％，烃基分子量为35％的聚甲基氢硅氧烷12份、羟基含量为6.0％，烃基分子量为35％的羟基聚二甲基硅氧烷6份、烃基分子量为35％的二甲基硅氧烷4.5份、山梨醇酐单硬脂酸酯4.5份、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯5.9、壬基酚聚氧乙烯醚0.1及水67份混合加热后再经机械乳化制成的乳液产品；本实例8％有机氟疏水剂由含氢量为0.1％的甲基含氢硅油20份、甲基丙烯酸全氟辛基乙酯15份、甲基丙烯酸十二烷基酯15份，经化合物单体自由基乳液聚合工艺制得的产品。本实例14％有机氟疏水剂由含氢量为1.8％的甲基含氢硅油20份、甲基丙烯酸全氟辛基乙酯16.3份、甲基丙烯酸十八烷基酯8、甲基丙烯酸十二烷基酯7.5份，经化合物单体自由基乳液聚合工艺制得的产品。表4实施例4中疏水剂各组分含量配比组分干比湿比33％纳米有机硅疏水剂8.525.768％有机氟疏水剂fs-15011.518.7514％有机氟疏水剂fs-15021.510.71聚丙二醇-6002.52.520％醋酸锌0.21水41.28分别称取33％有机硅疏水剂2.58kg、8％有机氟疏水剂fs-15011.88kg、14％有机氟疏水剂fs-15021.07kg、0.25kg聚丙二醇-600、20％的醋酸锌0.1kg和去离子水4.13kg于容积适宜的容器中，搅拌5～10分钟，混合均匀后备用。2、疏水膜制备工艺(1)将充气定型后的气球浸泡在按上述表4所述的各组分含量配比制备的疏水剂中，整理，停放6小时后，在30～40℃下晾干；(2)将步骤(1)晾干后的气球在温度110℃、蒸气压为1.433mpa的蒸汽硫化罐中硫化15分钟；再在温度85～90℃常压间接汽硫化罐干燥30分钟，而后将气球从硫化罐中取出，对气球进行翻面，随即将翻面后的气球再放入硫化罐干燥30分钟，直至气球表面完全干燥；(3)将硫化干燥后的气球通过检验、包装即制得编号为4的疏水气象气球。测试方法及数据按gjb987a-1998《气象气球试验方法》分别对上述实施例1-4中疏水剂处理前后气象气球的扯断伸长率、拉伸强度、爆破直径进行测试。具体测试结果见表5。表5实施例1-4中疏水剂处理前后气球的物理机械性能从表5中可以看出，经疏水剂处理过的气球的扯断伸长率、拉伸强度和爆破直径与未经疏水剂处理的气球的这三项性能相差不多，表明疏水剂在气球表面成膜后，除气球具备疏水功能外，疏水层对气球的这三项主要物理机械性能并没有不良影响。疏水气象气球施放结果先后在长沙、南昌、怀化等地施放了上述实施例1-4中有无经过疏水剂处理而得到的8种气球，具体施放数据见表6。表6实施例1-4中所得气球的施放结果从表6中可以看出，具有疏水性的气球在有雨天气和晚间时段施放，其施放高度明显优于未经疏水剂处理的一般气球。国内气象业务要求，气球的升空高度不小于26000m，未经疏水剂处理的气球在有雨特别是晚间时段，施放高度几乎都不达标，疏水气球可以弥补目前气象气球存在的这些问题。只使用单一一种有机硅疏水剂的气球，其静态性能和动态性能与使用有机硅和有机氟混合疏水剂的气球，并没有较大的区别，但在相同条件下对单一和复配疏水剂处理的气球进行喷淋水试验后，经复配疏水剂处理气球的耐水喷淋时间，比单一用有机硅疏水剂的要长45-55分钟，为保证阴雨和湿度较大天气下施放气球尽可能飞行至极限高度，使用有机硅和有机氟复配的疏水剂更为可靠。当前第1页12