[发明专利]用于固体浮力材料的纤维小球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于固体浮力材料的纤维小球及其制备方法，尤其是涉及一种可应用于水深达3000米及以上的水中设备配重、水面浮标，以及深海勘探，深海油气田开发平台的浮力平台所用固体浮力材料的纤维小球及其制备方法。

背景技术

固体浮力材料是一种低密度、高强度、低吸水、高浮力的高性能复合材料，是现代海洋石油、天然气以及深潜技术必不可少的基础性材料，它可以为水面的平台装置提供浮力，为水下管线提供保温和浮力，为深潜器材提供必需的浮力，对提高潜器的有效载荷、减少其外形尺寸，提高其水下运动性能起着重要作用。无论是军用还是民用，高强度的固体浮力材料在海洋领域得到了广泛的应用，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、水下管路配重，零浮力拖体，载人深潜器，水下机器人，水下声纳系统等。

传统的固体浮力材料是以液体树脂为基体，以空心微球为填充剂，经混合、浇注、固化等工艺制得的复合泡沫，已经大量应用于大洋海底的开发和采集作业。国内外相关实验室和企业在浅海、深海等不同水深所用固体浮力材料方面做了大量的研发工作。例如，美国洛克希德导弹空间公司开发出适用于水深500米的密度为0.35g／cm³、抗压强度为5.6MPa的固体浮力材料，同样也开发出适用于2400米的密度为0.45g／cm³、抗压强度为25MPa的固体浮力材料。国内的山东市青岛市海洋化工研究院早在90年度初采用化学发泡的工艺研制成功“SBM-300”固体浮力材料，密度小于0.33g／cm³，抗压强度为5.5MPa，吸水率低于1％。

固体浮力材料的强度主要是由其填充增强材料的性能所决定的，其中用于固体浮力材料的轻质填料有无机微球、有机微球和金属微球三大类。在深海领域使用最多的是中空玻璃微球，而我国目前尚无生产深海用中空玻璃微球的能力，主要体现在玻璃微球的粒径分布广、耐压强度小、破碎率大等缺点，高性能的玻璃微球均被国外公司(包括3M、AGSCO等公司)所垄断。高强度的微球及其制备技术是限制我国在未来深海探测领域，尤其是适应于3000米及以上所用固体浮力材料的关键材料和关键技术。通过对现有技术的检索发现，中国专利CN 102557594 A公开了一种高强度低密度陶瓷空心球及其制备方法，所制备的空心球耐水静压强度高，为20～200MPa，但其制备过程中需要有高达1800℃的高温烧结过程，耗能大，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种用于固体浮力材料的纤维小球及其制备方法。本发明通过进行配方设计、优化技术工艺，在球形泡沫为成核载体的基础上，将航天高端优异的纤维材料与树脂粘结剂结合起来，在球形泡沫表面形成一定厚度的纤维增强树脂基复合材料层，可有效解决现有复合泡沫制备加工难度大、强度低等不足之处，提供一种满足低密度、高强度的固体浮力材料应用需要的纤维小球及其制备方法。本发明的纤维小球是用于海上油气品开采平台所需固体浮力材料的纤维小球；具有密度低、耐压强度高且可调、低成本以及易批量生产等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明涉及一种用于固体浮力材料的纤维小球，所述纤维小球为具有核壳结构的纤维小球，成核载体为泡沫球，壳层为粉末纤维增强树脂基复合材料层。

优选地，所述纤维小球的平均直径为6mm～25mm，表观密度为0.35g／cm³～1.2g／cm³。

优选地，所述壳层厚度为0.2～2.5mm。更优选为1.5～2mm。

优选地，所述纤维小球包括如下重量份数的各组分：100份泡沫球，200～2000份粉末纤维，160～24000份树脂体系，10～200份稀释剂。

优选地，所述泡沫球为可发性聚苯乙烯(Expended Polystyrene，EPS)泡沫球，分子式为[C₈H₈]n。

优选地，所述泡沫球是密度为0.03g／cm³～0.05g／cm³，直径为5mm～20mm的球状泡沫体。

优选地，所述纤维增强树脂基复合材料层中采用的粉状纤维直径为6μm～15μm，长度为20μm～500μm，目数为35目～500目。优选直径为10μm～15μm。

优选地，所述粉状纤维包括粉状的碳纤维、玻璃纤维及芳纶纤维中的一种或多种。