本發(fā)明技術(shù)涉及高性能救生圈制造，具體涉及一種具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的整體式救生圈及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、救生圈是水上救生設(shè)備的一種，通常被放置在水上運(yùn)輸船舶的甲板和兩側(cè)船舷上，同時(shí)也設(shè)置在城市水域岸邊、大橋護(hù)欄旁、河流及池塘入口等靠近水域的地方。湖泊作為城市公共水域的重要部分，我國(guó)湖泊眾多，總面積達(dá)78,007.1平方公里。隨著城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)涉水景點(diǎn)的建設(shè)增多，以及居民親水活動(dòng)的日益頻繁，人員落水事件的發(fā)生概率也在相應(yīng)提升。與此同時(shí)，無(wú)論是海洋還是湖泊河流上的客貨運(yùn)輸量都在逐年增長(zhǎng)，船舶廣泛應(yīng)用于水上運(yùn)輸、觀光游覽及執(zhí)行各類(lèi)工程任務(wù)，救生圈則是這些船只航行時(shí)不可或缺的安全裝備。除此之外，相關(guān)部門(mén)對(duì)水上安全的監(jiān)管力度也逐漸增大，提高了水上安全救援設(shè)施的放置標(biāo)準(zhǔn)和投放數(shù)量。由于以上原因，救生圈的配置量雖然在不同地區(qū)及不同場(chǎng)合有所差異，但是普遍都在上升。

2、常規(guī)的救生圈通常采用軟木、泡沫塑料或其他比重較小的輕型材料制成芯體材料，再用帆布、塑料等材料包覆在芯體材料外面制備而成。然而，這種分體式的救生圈在遭遇撞擊或是長(zhǎng)時(shí)間暴露于戶(hù)外環(huán)境下時(shí)，外層材料可能會(huì)與芯體材料局部分離甚至完全脫離，從而嚴(yán)重影響其使用效果和壽命。

3、目前已有的整體式救生圈多為氣脹型救生圈，表面材質(zhì)為聚酯纖維，其使用過(guò)程中需要進(jìn)行充氣，充氣過(guò)量易因外界環(huán)境過(guò)冷或過(guò)熱而開(kāi)裂，影響使用壽命。此外，氣脹型救生圈還容易被尖銳物體刺破，或是因承受較大沖擊力而發(fā)生漏氣，失去功能。因此，氣脹型救生圈更適合用作緊急情況下的臨時(shí)救生設(shè)備，而不適宜長(zhǎng)期使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于已有的長(zhǎng)期使用的救生圈通常由軟木、泡沫塑料或其他比重較小的輕型材料制成，外面包上帆布、塑料等，當(dāng)受到較強(qiáng)的外界沖擊或是在露天環(huán)境下放置過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，容易導(dǎo)致最外層包覆材料與救生圈內(nèi)芯材料發(fā)生脫離，使用壽命較短的問(wèn)題。本發(fā)明提出了一種具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的整體式救生圈及其制造方法，目的是既能一次成型制造整體式救生圈，又使整體式救生圈具有質(zhì)量輕、浮力大、強(qiáng)度高、耐沖擊、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異特性。

2、本發(fā)明的方案以選擇性激光燒結(jié)(sls)技術(shù)為制備工藝，先制備聚丙烯復(fù)合粉體，然后將該聚丙烯復(fù)合粉體作為原料用于sls技術(shù)制備具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度高浮力整體式救生圈。本發(fā)明利用晶格結(jié)構(gòu)制造救生圈，能夠同時(shí)具備輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明利用3d打印技術(shù)中的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(sls)，可直接一次成型內(nèi)部具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)、外部皮層為致密結(jié)構(gòu)的整體式救生圈。聚丙烯是一種通過(guò)丙烯加聚反應(yīng)得到的聚合物，密度為0.89～0.91g/cm3，且具有良好的耐化學(xué)性、防潮性、無(wú)毒性、力學(xué)性能和成型加工性能，既sls打印成型，又能夠承受救生圈苛刻的使用場(chǎng)景。

3、本發(fā)明的具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的整體式救生圈的制造方法，以聚丙烯基復(fù)合粉體為原料經(jīng)選擇性激光燒結(jié)形成內(nèi)部具有鏤空晶格外表具有致密實(shí)體表皮層的整體式救生圈，內(nèi)部的鏤空晶格的晶格尺寸從外向內(nèi)遞增；

4、聚丙烯基復(fù)合粉體包括以下組分：

5、聚丙烯粉體，100～120質(zhì)量份；

6、彈性體粉體，10～20質(zhì)量份；

7、硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠，4～12質(zhì)量份；

8、納米二氧化鈦/高嶺土納米管(納米tio2/hnt)雜化物，3～9質(zhì)量份；

9、抗氧化劑，0.5～1.5質(zhì)量份；

10、紫外光吸收劑，0.3～0.5質(zhì)量份。

11、本發(fā)明的方案中，救生圈由聚丙烯基復(fù)合粉體經(jīng)選擇性激光燒結(jié)形成得到，在純聚丙烯粉體中混合彈性體粉體以達(dá)到增韌的效果，混合硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠以達(dá)到輕質(zhì)高浮力的效果，以納米tio2和高嶺土碳納米管為原料合成了一種無(wú)機(jī)雜化物填料混合入聚丙烯粉體用于提高沖擊性能和耐熱性能。救生圈內(nèi)部梯度鏤空結(jié)構(gòu)在提供良好的力學(xué)性能的同時(shí)還能減少該救生圈的質(zhì)量，起到提高浮力的效果。由此制得的具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的整體式救生圈，在滿(mǎn)足了整體式的前提下，質(zhì)輕高強(qiáng)，既具有高浮力，又延長(zhǎng)使用壽命，具有良好的應(yīng)用前景。

12、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，彈性體粉體為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(eva)粉體、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs樹(shù)脂)粉體、聚酰胺類(lèi)熱塑性彈性體(tpea)粉體中的一種或幾種。

13、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠，粒徑為10～50μm，表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性處理，包括以下步驟：將4～12質(zhì)量份硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠均勻分散在100質(zhì)量份的乙醇溶液中，升溫至60～80℃，持續(xù)攪拌30～60min，向其中加入0.5～1.5質(zhì)量份的硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌30～60min，抽濾，烘干，得改性硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠。

14、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，納米二氧化鈦/高嶺土納米管(納米tio2/hnt)雜化物采用水熱法制備，包括以下制備步驟：

15、步驟1.1：將2～5質(zhì)量份的納米tio2和2～5質(zhì)量份的hnt倒入氫氧化鈉溶液中攪拌均勻后，倒入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，130～180℃下反應(yīng)8～12h，收集得到固體粉末；納米tio2的粒徑為10～20nm，高嶺土納米管規(guī)格為內(nèi)徑10～80nm，外徑30～100nm，管長(zhǎng)0.02～10μm；

16、步驟1.2：將步驟1.1中得到的固體粉末用蒸餾水洗滌2～3次后，浸入鹽酸中30～60min，過(guò)濾，然后用蒸餾水洗滌至ph值為7，抽濾，烘干，得納米tio2/hnt雜化物。

17、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，抗氧化劑為半受阻酚類(lèi)抗氧劑、亞磷酸酯類(lèi)抗氧劑、立體受阻酚類(lèi)抗氧化劑和熱穩(wěn)定抗氧劑中的一種或幾種。

18、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，紫外光吸收劑為對(duì)苯二酚、2-二羥基-4-甲氧基二苯酮和2-羥基-4-辛氧基二苯酮中的一種或幾種。

19、作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，聚丙烯復(fù)合粉體的制備包括以下步驟：

20、步驟2.1：將100～120質(zhì)量份的聚丙烯粉體、10～20質(zhì)量份的彈性體粉體、4～12質(zhì)量份的硅硼酸鹽類(lèi)空心微珠、3～9質(zhì)量份的納米tio2/hnt雜化物放入恒溫干燥箱中進(jìn)行完全干燥；

21、步驟2.2：將步驟2.1中干燥后的聚丙烯粉體、彈性體粉體、硅硼酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠、納米tio2/hnt雜化物與0.5～1.5質(zhì)量份的抗氧化劑和0.3～0.5質(zhì)量份的紫外光吸收劑于高速混合機(jī)中混勻，得聚丙烯復(fù)合粉體。

22、本發(fā)明提供的具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的整體式救生圈，包括位于內(nèi)部的鏤空晶格和位于表面的致密實(shí)體表皮層，鏤空晶格和致密實(shí)體表皮層一體成型；內(nèi)部的鏤空晶格的晶格尺寸從外向內(nèi)遞增；致密實(shí)體表皮層在打印時(shí)留有用于清粉的圓孔，同時(shí)打印孔蓋，清粉完成后，通過(guò)熱熔，將孔蓋與圓孔閉合密封；整體式救生圈以聚丙烯基復(fù)合粉體為原料經(jīng)選擇性激光燒結(jié)形成。

23、較佳地，致密實(shí)體表皮層在鏤空晶格的外層胞元表面形成閉合的曲面實(shí)體，厚度0.2～0.5cm，密實(shí)表皮層上留有直徑為5cm，厚度為0.2～0.5cm的圓孔，同時(shí)打印孔蓋。

24、較佳地，孔蓋的形狀和尺寸與所述圓孔一致，兩者閉合后的結(jié)構(gòu)與所述外層胞元表面閉合曲面實(shí)體一致。

25、較佳地，內(nèi)部的鏤空晶格由多個(gè)胞元組成，胞元包括構(gòu)成閉合多邊形的框體、位于框體內(nèi)的胞筋，框體和胞筋之間形成鏤空腔體；胞元大小從外層到內(nèi)部呈梯度式增大；胞元桿徑由最外層到內(nèi)部梯度式減小。

26、有益效果

27、(1)本發(fā)明的方案以sls技術(shù)為基礎(chǔ)，以聚丙烯為原料，一次成型得到一種具有梯度鏤空晶格結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度高浮力整體式救生圈。其制備方法可操作性強(qiáng)，梯度鏤空結(jié)構(gòu)在提供良好的力學(xué)性能的同時(shí)還能減少該救生圈的質(zhì)量，起到提高浮力的效果。該整體式救生圈在具有高強(qiáng)度高浮力的基礎(chǔ)上還延長(zhǎng)了使用壽命。

28、(2)本發(fā)明的方案中采用水熱法制備了納米tio2/hnt雜化物作為聚丙烯復(fù)合粉體中的增強(qiáng)填料，提高了該整體式救生圈的抗沖擊性能、耐熱性能和抗蠕變性能，且合成方法簡(jiǎn)便，具有實(shí)際應(yīng)用性。

29、(3)本發(fā)明的方案在聚丙烯復(fù)合粉體中加入了硼硅酸鹽類(lèi)玻璃空心微珠，其球體結(jié)構(gòu)具有良好的流動(dòng)性，能作為sls打印技術(shù)中的流動(dòng)助劑，有利于聚丙烯復(fù)合粉體的均勻分布?？招奈⒅槟蜔嵝粤己?，能有效提高該整體式救生圈的耐熱性能，同時(shí)由于其特殊的空心結(jié)構(gòu)也能起到良好的減輕質(zhì)量提高浮力的作用。