空心玻璃微珠表面改性对固体浮力材料性能影响研究

摘要

随着科技的进步和社会的发展，陆地资源的储备已不能满足人类的需求，人们将目光瞄向资源储量丰富的深海中。深海资源的勘探与开发离不开深海装备，而作为浮力补偿用的固体浮力材料是最重要的通用材料之一。浮力材料的低密度、高强度和低吸水率是目前深海技术面临解决的关键问题。影响材料性能的主要因素除了环氧树脂和空心玻璃微珠的本身原因外，还有它们之间的界面问题。对于环氧树脂基体和空心玻璃微珠的研究已经比较全面，本论文主要针对树脂与玻璃微珠的界面问题展开研究，即研究空心玻璃微珠的表面改性。
　　本论文主要采用硅烷偶联剂处理和聚合物接枝两种空心玻璃微珠的表面改性方法，并通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、热失重（TGA）表征改性玻璃微珠表面修饰基团、形貌及元素含量等。而后用改性微珠填充环氧树脂制备浮力材料，对浮力材料的吸水率、压缩强度、拉伸强度和弯曲强度进行测试，探讨不同改性空心玻璃微珠对固体浮力材料性能的影响。
　　在针对不同端基的硅烷偶联剂 KH550、KH560、KH570、KH591的研究中发现，端基为巯基的KH591的改性效果最好，其改性微珠填充制备的浮力材料的吸水率仅有0.35％，低于纯环氧树脂的平衡吸水率。同时压缩强度为62.15 MPa，相比未改性的浮力材料提升了47.6%，拉伸强度为40.15 MPa，提升了近60%，弯曲强度为53.17 MPa，提升了40%。在针对不同主链结构的硅烷偶联剂KH553、KH593、KH602、KH792的研究中发现，主链上没有侧基，无机端是硅醇键的KH553的改性效果最好，其改性微珠制备的浮力材料的平衡吸水率同样低于纯树脂的平衡吸水率，其压缩强度高达64.15 MPa，拉伸强度为35.47 MPa，弯曲强度为51.99 MPa，KH553同样具有较为优异的改性效果。通过研究硅烷偶联剂KH560和KH553的用量对于浮力材料的性能发现，效果最好的KH560用量为4%，其接枝率为1.41%，制备的浮力材料的平衡吸水率为0.4%，较未改性材料的吸水率降低50%，压缩强度为58.90 MPa，相比提高50%，拉伸强度为37.74 MPa，相比提高13%，弯曲强度为54.85 MPa，相比提高67%；不同KH553的用量，也存在不同的影响，通过对制备浮力材料吸水率和力学性能的测试发现，在KH553的用量为6%和12%时，其改性效果最好，即当 KH553在空心玻璃微珠表面的接枝率约为3.2%时，改性效果最好。
　　聚合物接枝的改性方法，通过改变中间反应物异氰酸酯的种类和数量，研究其改性的效果。结果表明，经过异氰酸酯进一步接枝胺类固化剂的玻璃微珠改性效果，比仅使用KH550改性玻璃微珠的效果要好；同时发现，芳香族的异氰酸酯的改性效果比脂肪族的好，其中含有两个苯环的MDI的吸水率及力学强度更优异，其改性后玻璃微珠制备的浮力材料的平衡吸水率为0.41%，压缩强度为64.98 MPa，拉伸强度为37.78 MPa，弯曲强度为46.53 MPa。对MDI的用量的研究发现，20%是MDI作为聚合物接枝改性方法中间反应物的最佳用量。
　　通过改变空心玻璃微珠在环氧树脂中的填充量，研究填充量对粘度、密度、吸水率、压缩性能影响。结果发现随着空心玻璃微珠填充量的增大，材料的粘度增加，密度降低，吸水率升高，抗压强度变小；然而玻璃微珠改性对于上述性能都有一定改善。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 固体浮力材料发展状况

1.3 空心玻璃微珠

1.4 硅烷偶联剂

第2章 实验材料及测试方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器及设备

2.3 空心玻璃微珠接枝率的计算

2.4 分析测试方法

2.5 本章小结

第3章 硅烷偶联剂对空心玻璃微珠表面改性研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第4章 聚合物接枝对空心玻璃微珠表面改性研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢