陶瓷基高强轻质浮力材料制造技术

本发明专利技术公开了一种新型陶瓷基轻质高强浮力材料的制备方法。以陶瓷厂抛光废泥为主要原料，采用干压、注塑成型，常压烧结，高温化学发泡法工艺制备高闭气孔含量的多孔陶瓷材料作为新型浮力材料的基体，以环氧树脂作为加强外壁制备新型浮力材料。该浮力材料与现有浮力材料相比，具有耐久耐候性能好，耐海水腐蚀，不老化，体积吸水率小，机械强度高，制备工艺简单，生产成本低，易于工业化生产。原位高温发泡，使多孔陶瓷体内气孔均匀分布，闭气孔率在９５％以上。该新型浮力材料密度较低、抗压强度较高，在１１８０℃下烧结制备的多孔陶瓷材料其密度为０．３５ｇ／ｃｍ↑［３］，抗压强度大于７ＭＰａ。环氧树脂改性后浮力材料密度为０．５２ｇ／ｃｍ↑［３］，抗压强度大于２０ＭＰａ。

High strength lightweight buoyancy material based on ceramic

The invention discloses a preparation method of a novel ceramic base lightweight high strength buoyancy material. Ceramic polishing waste plant sludge as main raw materials by dry pressing, injection molding, sintering, porous ceramic materials of high temperature chemical foaming process to prepare the high content of closed pores as the matrix model of buoyant material, epoxy resin as the preparation of new materials to strengthen the outer wall of buoyancy. The buoyancy material compared with the existing buoyancy material has good weather resistance, durability, corrosion, aging, water absorption rate of small volume, high mechanical strength, simple preparation process, low production cost, easy industrial production. In situ high temperature foaming, the porous ceramic body of the air holes are evenly distributed, air holes at a rate above 95%. The new type of buoyant material of low density, high compressive strength, porous ceramic material at 1180 DEG C prepared by sintering the density of 0.35g / cm = 3, the compressive strength is greater than 7MPa. Epoxy resin modified buoyancy material density of 0.52g / cm = 3, the compressive strength is greater than 20MPa.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型陶瓷基高强轻质浮力材料的制备方法。
技术介绍
目前，在深海的矿产资源调查、地质地球物理、生物活动以及对全球气候变化等重大研究领域，迫切需要对特定海区范围内以至全球化的水下长时空尺度变化的综合观测资料。这就需要进行高功能的深海调查仪器设备的技术支撑，否则难以取得创新性研究成果及对深海尚未涉足领域的研究探索。本研究将面向国家战略需求，面向世界科技前沿，在深海环境探测领域所需高强度、低密度浮力材料制备技术上开展创新性研究，突破一系列关键技术问题，为深海领域科技发展提供基础支持。浮力材料是深潜探测器不可缺少的关键材料。美国最早采用的是汽油，随后直到现在，国际上使用的深海探测器普遍采用被称为复合泡沫塑料的浮力材料，它是用环氧树脂将中空玻璃微珠固化而得到的。目前日本11000米级深海无人调查船“海沟号”使用的浮力材料密度为0.63、抗压强度高达127.5MPa(1300kgf/cm2)。据报道，我国现在使用的深海浮力材料均依靠进口。二十世纪八十年代起开始浮力材料的研究，曾经有过使用轻质复合空心球的研究报道，但使用深度只有600米。“十五”863计划重大专项——“7000米载人潜水器”中曾专门立项研究该类问题，但一直没有彻底解决所存在的重大问题，尚没有成功报道。随着航行深度的加大和有人深潜探测器的开发，浮力材料越来越向着高强度、低密度的方向发展。然而现有复合泡沫塑料浮力材料几乎已经达到了极限，为了增加抗压强度不得不加大材料的密度，这样就大大降低了浮力材料的浮力系数。陶瓷是既可以增加抗压强度又可以降低材料密度的较为理想的材料。上世纪八十年代，曾经有过使用陶瓷球作浮力材料的实验，但是由于陶瓷球在成型、烧结过程中无法精确控制球的均匀性，因而在高压下容易发生爆裂，并造成全体陶瓷球的破坏。多孔陶瓷材料由于其高闭气孔率，可以在轻质的前提下，通过内部的三维网络结构作为支撑实现高抗压强度。本专利技术的目的在于采用陶瓷厂抛光废泥为主要原料，烧结制备微观结构均一、低密度高强度的多孔陶瓷体，以陶瓷作为基体制备新型浮力材料，制作满足深海2000m以下使用的浮力材料，作为深海探测的配套材料。
技术实现思路
本专利技术针对现有传统浮力材料存在的不足，提供一种新型陶瓷基浮力材料的制备方法。该方法制备浮力材料微观结构比较均匀，密度小，强度高，高强度的基体有利于满足深海探测抗压性能的要求，环氧树脂的复合有利于进一步降低多孔陶瓷表层渗水，二者复合可制备出轻质高强的新型浮力材料。本专利技术的新型陶瓷基轻质高强浮力材料制备方法，步骤如下(1)将陶瓷厂抛光废泥中加入5％～15％的生产废泥进行配料干燥造粒，造粒后过40目筛，干压成型；(2)然后将成型后的坯体进行干燥，90℃下干燥2小时；(3)所得干燥后的坯体在1100～1200℃烧结1～3小时，得到多孔陶瓷体，对多孔陶瓷体进行表面磨削，去除表层玻璃釉质；(4)对上述多孔陶瓷基体进行表面改性，将KH-570硅烷偶联剂按照质量比1∶1配成溶液，均匀涂覆在多孔陶瓷体表面，使其充分包覆，放入烘箱内80℃下烘3h后取出，置于密闭容器内；(5)与环氧树脂复合，将环氧树脂、稀释剂、固化剂配制成预混液，压涂于表面改性后的多孔陶瓷体表面，涂层厚度为2～8mm，固化后制得浮力材料。优选的，上述步骤(1)所述的干压成型造粒后粉料中水分含量为6％～8％，干压成型压力17MPa。优选的，上述步骤(1)所述的成型方法为注塑成型，则粉料配制泥浆中水分含量为35％～40％。优选的，上述步骤(1)所述的5％～15％的生产废泥未加入抛光废泥中，则在步骤(3)中的烧结温度要降低40～60℃。优选的，上述步骤(4)所述的硅烷偶联剂在1∶1水溶液稀释后对多孔陶瓷体改性过程中总用量质量分数在1～3％。优选的，上述步骤(5)固化剂为MPD(间苯二胺)，则按照环氧树脂∶稀释剂∶固化剂＝65～91％∶0～21％∶7～20％的比例配制环氧树脂预混液。优选的，上述步骤(5)固化剂为DDS(二氨基二苯砜)，则按照环氧树脂∶稀释剂∶固化剂＝60～83％∶0～20％∶14～27％的比例配制环氧树脂预混液。上述新型陶瓷基高强轻质浮力材料制备出来，且该工艺成型制备的坯体强度很高，能够满足后续工艺中对坯体强度的要求，烧结后的多孔陶瓷基体强度高，可进行后续的机械加工，能够满足不同形状浮力材料的制备。本专利技术采用陶瓷厂抛光废泥为主要原料制备多孔陶瓷基体，与环氧树脂进行表层复合，进一步防止表层多孔体的渗水制备出新型浮力材料与传统玻璃微珠与环氧树脂复合制备的浮力材料相比，其优良效果如下1、相对空心玻璃微珠，本专利技术的原料廉价，解决了固体废弃物消化处理的难题，在同等堆积密度的前提下，其抗压强度远远大于空心玻璃微珠；2、相对树脂基浮力材料，本专利技术制备的多孔陶瓷基体内部气孔分布均匀，有利于提高材料的整体强度，且耐候性、耐海水腐蚀性强；3、相对于复合泡沫塑料浮力材料，本专利技术制备的浮力材料挖掘潜力大，通过烧结温度的控制和生产废泥加入量的调节，可有效地制备适合于不同水深的浮力材料；4、本专利技术制备的新型浮力材料具有耐久耐候性能，其内部石英、莫来石晶相具有高化学稳定性，能耐化学侵蚀、不老化、能抗大气碳化等优良性质；5、本专利技术制备新型浮力材料体积吸水率比较小，孔隙结构由相互密闭的气泡所组成，闭孔率可达95％以上，强度高，可进行机加工；6、本专利技术特别适于工业化生产，推进固体浮力材料在深海探测中的应用。附图说明图1是陶瓷厂抛光废泥XRD，其中，曲线1为陶瓷厂废泥XRD；曲线2为1150℃下烧结后多孔陶瓷XRD；曲线3为1200℃下烧结后的多孔陶瓷XRD。图2是抛光废泥烧结温度曲线。具体实施例方式实施例1将35g抛光废泥粉料造粒后于17MPa单行程压力下干压成型坯体、将75g抛光废泥造粒后于17MPa、14.5MPa二行程压力下干压成型坯体，烧结制备多孔陶瓷基体，其烧结温度曲线如附图2所示，其密度为0.35g/cm3，抗压强度为7.3MPa；对烧结后的多孔陶瓷进行环氧树脂改性后浮力材料密度为0.52g/cm3，抗压强度为21MPa。权利要求1.新型陶瓷基轻质高强浮力材料的制备方法，其特征在于以陶瓷生产厂抛光废泥为主要原料，高温发泡工艺制备，步骤如下(1)将陶瓷厂抛光废泥中加入5％～15％的生产废泥进行配料干燥造粒，造粒后过40目筛，干压成型；(2)然后将成型后的坯体进行干燥，90℃下干燥2小时；(3)所得干燥后的坯体在1100～1200℃烧结1～3小时，得到多孔陶瓷体，对多孔陶瓷体进行表面磨削，去除表层玻璃釉质；(4)对上述多孔陶瓷基体进行表面改性，将KH-570硅烷偶联剂按照质量比1∶1配成溶液，均匀涂覆在多孔陶瓷体表面，使其充分包覆，放入烘箱内80℃下烘3h后取出，置于密闭容器内；(5)与环氧树脂复合，将环氧树脂、稀释剂、固化剂配制成预混液，压涂于表面改性后的多孔陶瓷体表面，涂层厚度为2～8mm，固化后制得浮力材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的干压成型造粒后粉料中水分含量为6％～8％，干压成型压力17MPa。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的成型方法为注塑成型，则粉料配制泥浆中水分含量为35％～40％。4.如权利要求1所述的制本文档来自技高网...

【技术保护点】
新型陶瓷基轻质高强浮力材料的制备方法，其特征在于以陶瓷生产厂抛光废泥为主要原料，高温发泡工艺制备，步骤如下：　　　　（１）将陶瓷厂抛光废泥中加入５％～１５％的生产废泥进行配料干燥造粒，造粒后过４０目筛，干压成型；　　　　（２）然后将成型后的坯体进行干燥，９０℃下干燥２小时；　　　　（３）所得干燥后的坯体在１１００～１２００℃烧结１～３小时，得到多孔陶瓷体，对多孔陶瓷体进行表面磨削，去除表层玻璃釉质；　　　　（４）对上述多孔陶瓷基体进行表面改性，将ＫＨ－５７０硅烷偶联剂按照质量比１∶１配成溶液，均匀涂覆在多孔陶瓷体表面，使其充分包覆，放入烘箱内８０℃下烘３ｈ后取出，置于密闭容器内；　　　　（５）与环氧树脂复合，将环氧树脂、稀释剂、固化剂配制成预混液，压涂于表面改性后的多孔陶瓷体表面，涂层厚度为２～８ｍｍ，固化后制得浮力材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹衍升，张卫珂，张敏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]