国内外高强度浮力材料的现状

  国内外高强度浮力材料的现状

  张德志

  (第七一五研究所 富阳 311400)

  摘要 本文介绍了当前国内外深水浮力材料的现状,并对美国 Flotec公司和我国青岛海洋化工研究院等单位研制生产的深水浮力材料的性能、加工工艺及适用范围作了简要说明。

  关键词 浮力材料 产品性能 成型工艺

  1 引言

  浮力材料实际使用时需长期浸泡在水中,要求其耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击。在水中使用的深度不同,对它的强度要求也不同,水深增加,材料的强度亦增加,密度随之加大,但降低了浮力系数。水中使用的浮力材料,要求吸水率低,吸水平衡的时间短。在浮力材料本身不能满足防水要求的前提下,还需在浮力材料外表面包敷防水层。同时还要保证外表面包敷材料耐腐蚀和抗冲击,以延长它的使用寿命。

  高强度浮力材料在民用、商业及军事上有广泛的应用,如水中设备的配重,漂浮于水面或悬浮于水中的浮缆、浮标、海底埋缆机械及声多卜勒流速剖面仪(ADCP)平台、零浮力拖体、无人遥控潜水器(ROV)等。使用条件不同,对其性能要求也不一样。随着海洋技术的开发,高强度浮力材料的应用前景广阔。

  2 国外情况简介

  在国外,从 20 世纪 70 年代就开始高强度浮力材料的研制,现在美国、日本和俄罗斯等国家已经解决了水下 6000m用低比重浮力材料的技术难题,

  图 1 Flotec 公司的浮力材料产品

  并已形成系列标准。客户可以选用标准部件,也可以根据需要提出要求,由公司的专业人员根据使用条件,设计满足耐压要求的各种复杂形状的结构件。下面介绍美国 Flotec 公司的浮力材料产品(图1)及其制备工艺。

  美国 Flotec 公司生产的浮力材料,由高强度环氧基材料作基材,根据不同的使用水深,填充不同的浮力调节介质,选用适当的合成方法加工而成。图 2 为美国 Flotec 公司生产的普通复合浮力材料的密度随水深的变化情况,图 3 为美国 Flotec 公司生产的增强复合浮力材料的密度随水深的变化情况。

  该公司制备的浮力材料采用环氧树脂为基材,材料自身的防水性能可以满足水中使用要求。为提高抗冲击性和耐侵蚀,其外表面浇注聚乙烯或 ABS外壳,外壳厚度为 13~15mm。

  图 2 普通材料的密度与适用水深的关系

  图 3 增强材料的密度与适用水深的关系

  由于对浮力材料的静水压要求不同,复合的浮力调节介质也有异。

  耐静水压 0~1000m 水深的浮力材料:由玻璃纤维增强的热塑性塑料球为浮力调节介质,与环氧树脂复合而成,球的直径可以根据水深和浮力的要求,在较大的范围内调节。它也可以填埋在高强度浮力材料中,做成轻质、高强度、水下 1000m 水深用浮力材料。

  耐静水压 100~6000m水深的高强度浮力材料:采用空心玻璃微珠为浮力调节介质,与环氧树脂复合后经真空浇铸,加热固化而成。其中,环氧树脂做承压主体材料,中空玻璃微珠用来降低密度,调节浮力大小。

  玻璃增强的热塑性塑料球的成型:它由玻璃纤维增强的热塑性塑料经模型注塑而成。首先,模塑成半球,厚度均匀一致。然后,利用超声焊接技术,将两个半球对接,得到一个 50mm 直径的水密球,它可以在水下 250m 条件下可靠使用。

  该公司生产的浮力材料既可以浇铸成型,也可以方便地加工成各种形状、尺寸。该公司的产品已用于 ROV、ADCP 平台、零浮力拖体(为提高抗冲击性和耐侵蚀性,外面敷盖玻璃纤维增强的聚氨酯弹性体外壳)、铠装电缆及海底架缆浮力材料等。

  3 国内情况简介

  国内的浮力材料一般采用聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫或其他发泡塑料。与国外同等材料相比,成本低,但耐压强度低,浸水一段时间后,会吸水,失去浮力,使用可靠性差;最大工作深度 400m 左右。下面简单介绍了青岛海洋化工研究院开发的SSB-300 固体浮力材料的性能及其制备工艺。

  青岛海洋化工研究院开发的 SSB-300 固体浮力材料,由闭孔聚异氰酸酯-噁唑烷酮泡沫作为芯材,100%固含量喷涂聚脲弹性体(SPUA)作为包敷层组成。适用于水下 ROV 系统、各种潜器、海底电缆铺设等领域。

  该材料密度为 0.2~0.35g/cm ,最高破坏强度7.0Mpa, 工作压力 0~4.5Mpa,4.5Mpa 静水压下变形率小于 0.5%,包敷层抗水渗透性好,耐盐雾、耐老化、耐海水,抗冲击、抗磨损、物理性能优异。

  SSB-300 固体浮力材料芯材的制备:将A、B双组份料混合均匀后,脱泡,倒入模具中固化成型。

  喷涂包敷层要将芯材完全均匀地敷盖,喷涂施工时,环境温度必须高于露点 3℃以上,一般应在5℃以上。

  国内耐高静水压低渗水率浮力材料的研究工作尚未见报道,但用于充当浮力调节介质的空心玻璃微珠已形成产品。具有代表性的有北京航空航天大学粉体技术研究所北京市重点实验室与深圳空微特种材料有限公司合作开发的多功能空心微珠材料,秦皇岛市玻璃微珠厂生产的空心玻璃微珠等。

  北京航空航天大学粉体技术研究所北京市重点实验室与深圳空微特种材料有限公司合作开发的多功能空心微珠材料主要特性如下:粒度细小(1-10ì m)、中空球形、抗压强度高、耐火度高(>1500?)、电阻率高、耐腐蚀、热传导系数低、热收缩系数小。其主要化学成分为二氧化硅和三氧化二铝,主要物相组成为莫来石、石英和矽线石。经表面改性处理后,与高分子材料、涂料等基体材料结合好、相容性好。空心微珠材料的扫描电镜照片如图 4。

  (a) 精选的空心微珠

  (b) 表面改性后的空心微珠

  秦皇岛市玻璃微珠厂生产的空心玻璃微珠是由硼硅酸盐原料制成,粒度为 10~250ì m,壁厚 1~2ì m 的空心球体。该产品具有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等优点,其表面经过特殊处理,具有亲油憎水性能,非常容易分散于树脂等有机材料中。产品性能指标见表 1。

  4 结束语

  鉴于高强度浮力材料的深水应用,我们曾对由北京塑料研究所开发的内填充玻璃微珠高强度复合材料(密度 1.015 g/cm)做了静水压试验,在静水压 65MPa 下,保压 3 小时,无形变, 吸水增重2‰。由此可见,在借鉴国外技术的基础上,进一步加强攻关力度,将会解决耐高静水压低渗水率浮力材料国产化的难题。

  参考文献

  [1]Flotation technologies-Deepwater buoyancy

  [2]北京汇海宏纳米科技有限公司产品介绍

  [3]秦皇岛市玻璃微珠厂产品介绍