技术领域
[0001] 本
发明属于气象探测领域，尤其涉及气象气球及其制备模型、方法和生产线的设计。
背景技术
[0002] 在气象气球发展之初，曾应用了充以热气或氢气的纸质或纺织物的球皮。到19世纪末，具有良好伸张率的膨胀性
橡胶气球制成，这样就增加了气球上升所能达到的高度，扩展了高空探测的范围。20世纪60年代大型非膨胀性的
薄膜塑料气球在
边界层探测、全球范围内定高的
水平探测以及
平流层(见大气)的探测试验方面得到日益广泛的应用。随着科学技术的发展，新型
电子探空仪等的应用，对探空气球的升空高度等提出了更高的要求。
[0003] 根据目前现阶段生产的生产工艺，
现有技术中主要存在以下几方面的问题：1)现有的气象气球模型也不能满足生产5万米气象气球规格条件；
[0004] 2)现有的生产线、生产车间的高度、空间不能满足生产5万米气象气球；
[0005] 3)常规
凝固剂配方的附着量不能满足生产5万米气象气球规格条件；
[0006] 4)由于5万米气球的业务高度需达到50000米以上的高空观测采集数据，在这个升空过程中气球须经过-80℃的极寒区域以及20～30公里的臭
氧层和紫外线强度达14UV的长时间
辐射，所以5万米气球需要在耐寒性、抗臭氧能
力、抗紫外线等方面综合考虑；
[0007] 5)现有气象气球配方不适宜试制5万米气象气球。基于上述的现有技术中存在的问题，
申请人给出了有效的解决办法，提出了本发明的技术方案。发明内容：
[0008] 针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种新的配方、模型、制备方法以及生产线，以获得能满足5万米高空探测的气象气球。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100份，氢氧化
钾0.10～0.50份，酪素0.10～0.80份，硫磺0.20～3.00份，促进剂zbec0.50～5.00份，防老剂D0.50～
5.00份，抗
氧化剂6160.50～5.00份，防老剂4450.50～5.00份，氧化锌0.15～3.00份，DOS3.00～18.00份。
[0011] 提供一种制备上述气象气球的模型，该模型的模型长度/最大横截面直径比为1:1.60，即长径比为1:1.60。
[0012] 还提供一种制备上述气象气球的方法，包括：原材料筛选→检验→分散体制备→配凝固剂→配胶乳→浸凝固剂→浸胶乳→停放→浸热水→脱模→清洗→泡水→定型→硫化→检查、修补→
包装→入库。
[0013] 进一步的，上述制备过程中采用离子浸渍法生产气象气球，离子浸渍法步骤如下：
[0014] A配凝固剂：氯化
钙液→
自来水→陶土→搅拌→正丁醇→搅拌→过滤→
研磨→检验，其中，凝固剂过滤条件：不低于80目的过滤网一层、过滤一次以上，
[0015] B浸凝固剂，浸渍次数不低于两次，以使凝固剂附着均匀，
[0016] C控制下浸速度以使模型表面不产生气泡，
[0017] D控制浸渍长度以达到浸胶长度，
[0018] E控制凝固剂上提速度以使模型附着凝固剂均匀。
[0019] 进一步的，上述制备方法中，配凝固剂时按重量份数比包括以下组分：干燥的
氯化钙18.00～24.00，干燥的陶土22.00～32.00，自来水44.00～60.00，干燥的正丁醇0.50～1.00。
[0020] 注：陶土和自来水用量可在附着量指标范围内进行适当增减。
[0021] 进一步的，配凝固剂的步骤如下：氯化钙液→自来水→陶土→搅拌→正丁醇→搅拌→过滤→研磨→检验；其中，过滤条件为：不低于80目的过滤网一层、过滤一次以上。
[0022] 表1配凝固剂的检验项目与指标：
[0023]项目 指标
氯化钙含量(％) 16～22
附着量(克/2.5cm2·15秒) 1.6～2.5
[0024] 注意：a氯化钙具有吸湿性，可加热；使用时用量需要按溶液的实际浓度折算所得，加热后的氯化钙需要冷却后标定后使用。
[0025] b正丁醇用量需按凝固剂的消泡情况决定。
[0026] c搅拌条件：混合后的凝固剂先搅拌8小时至基本均匀后，加入正丁醇再搅拌半小时直至完全均匀为准。
[0027] d过滤条件：需用一层不低于80目过滤网过滤一次以上。
[0028] 表2分散体制备：
[0029]
[0030]
[0031] 要求：
[0032] a.配比中的氢氧化钾、酪素均采用配好的分散体或溶液
[0033] b.球磨时间需达到沉降量为准
[0034] c.软水指标：总硬度≤0.5毫克当量/升
[0035] d.控制指标：符合半成品配制生产工艺
质量标准
[0036] 进一步的，上述制备方法中，配胶乳的加料顺序依次如下：天然胶乳→酪素(CAS号9000-71-9)→氢氧化钾→硫磺→防老剂D(CAS号135-88-6)→防老剂445(CAS号10081-67-
1)→抗氧化剂616(CAS号68610-51-5)→促进剂ZBEC(CAS号14726-36-4)→氧化锌→癸二酸二辛酯(CAS号122-62-3)
[0037] 其中，加酪素、氢氧化钾后搅拌15分钟，再加入其它分散体，加完后再慢速搅拌30分钟。而氧化锌须用软水稀释后加入。在配料过程中要注意：a)分散体及溶液的质量；b)分散体的过滤；c)分散体及溶液的称量；d)投料过程中除了操作者以外，还要有人核对物料，确保配制材料的质量、数量准确无误。
[0038] 表3配胶乳的检验项目与指标：
[0039]项目 指标
总固体(％) 48～54
粘度(mPa·s) ≤80
氨含量(％) 0.4～0.8
热
稳定性(分) 2以上
外观 无水麻点、黑白点
拉伸强度(MPa) ≥19.6
扯断伸长率(％) ≥800
[0040] 进一步的，上述制备方法中，硫化过程中将直接汽硫化出来的产品，采用
温度自动控制装置进行干燥。其中，硫化时采用卧式直接汽硫化罐；干燥为间接汽干燥。
[0041] 其中，a.硫化罐使用前必须预热，预热条件：按硫化时直接汽保温条件；b.硫化前应仔细扬球，注意检查是否有粘褶；c.硫化前应抽测半成品长度，根据球的收缩情况进行硫化，若发现半成品长度不等时，需先进行适当处理，如返充、预干、提前或隔天硫化，以保证成品长度符合要求；d.硫化和干燥时，放在硫化车上面进行硫化，每罐不得多于12个产品；e.阴雨天，间接汽干燥可适当提高温度，延长干燥时间，以产品干透为准；f.硫化好的产品要放在适当的地方，使产品通
风散热良好，不得受日光直接照射；g.在硫化过程中要注意：
升温时间和保温时间、保温温度。
[0042] 还提供一种实施上述气象气球制备方法的生产线，包括按厂房长度方向依次设置的浸剂槽、浸胶槽、浸渍机、浸热水槽、停放处、脱模处、洗球槽、泡球槽、定型处、硫化装置、检查修补处、以及包装台在厂房长度方向的一端端部并列设置有储剂槽和储胶槽，储剂槽和储胶槽靠近浸剂槽。
[0043] 本发明的有益效果在于：
[0044] 1)在常规配方
基础上添加促进剂ZBEC，并采用环保型、浅色的原材料抗氧化剂616、防老剂445等替代常规配方中的防老剂4010NA等，并经大量的试验调试，试制的气球
颜色比常规气球颜色要浅白得多，更便于台站施放人员观察气球升空情况。
[0045] 2)在常规配方基础上添加促进剂ZBEC及抗臭氧老化剂445，经静态试验得知，试制出来的球皮能有效延长抵抗臭氧、紫外线辐射，耐臭氧时间则可达到200分钟以上。
[0046] 3)考虑到气球在升空过程中经过的极寒冷区域，在常规配方基础上添加耐寒效果更加理想的耐寒
增塑剂DOS，确保气球在经过寒冷区域不至于过早球炸而影响升空高度。
[0047] 4)对模型长径比进行重新设计制造，最后确定模型的长径比为1:1.60(即模型长度/最大横截面直径之比)，所获得气球的升速合适，飞行
姿态较好，气球升空高度可达5万米。
[0048] 5)根据厂房内空间，结合生产5万米高空探测的气象气球所需条件，合理布置、划分各个功能区，采用全新自动式设计的生产线替代原生产线的风缸式设计，既满足了设备的提升高度，亦满足了设备下降时的深度，进而满足5万米高空探测的气象气球的试制需要。
[0049] a.由于原生产线采用风缸式设计，局限于厂房的高度，所以风缸式生产线不能满足5万米气象气球的生产需要。
[0050] b.高度上采用自动卷扬式设计，在保证上提时、下降过程的稳定性的前提下，能有效改善由于风缸造成的局限性，最大化利用现有厂房的高度空间。
[0051] C.深度则采用了下沉式设计，既保证模型在下降时有足够的空间，又满足了生产工艺上的需要。
附图说明：
[0052] 图1为本发明的气象气球制备方法
流程图[0053] 图2为本发明的气象气球生产线中的浸渍机侧视图
[0054] 图3为本发明的气象气球生产线布置俯视图
具体实施方式
[0055]
实施例1：在现有常规气象气球配方的基础上试制5万米高空气象气球，对模型进行了重新的设计，并对工艺配方上作出了如下优化(如表4所示)
[0056] 表4本发明气象气球配方
[0057]序号 名称 选取的重量份量范围
1 天然胶乳 100
2 氢氧化钾 0.10～0.50
3 酪素 0.10～0.80
4 硫磺 0.20～3.00
5 促进剂zbec 0.50～5.00
6 防老剂D 0.50～5.00
7 抗氧化剂616 0.50～5.00
8 防老剂445 0.50～5.00
9 氧化锌 0.15～3.00
10 DOS 3.00～18.00
[0058] 我们经过多次反复试验，使用新模型、新配方试制的气象气球达到了5万米高空气象气球的技术工艺要求，如下表5和表6所示：
[0059] 表5本发明气象气球规格尺寸表
[0060]
[0061]
[0062] 表6本发明气象气球成品的理化性能表
[0063]
[0064]
[0065] 经试验可知配方优化后的具体优势：
[0066] 1)经过在常规配方基础上添加促进剂ZBEC及抗臭氧老化剂445，由于是采用了环保型、浅色的原材料，并经大量的调试试验，试制的气球颜色比常规气球颜色要浅白得多，更便于台站施放人员观察气球升空情况。
[0067] 2)在常规配方基础上添加促进剂ZBEC及抗臭氧老化剂445，经静态试验得知，试制出来的球皮能有效延长抵抗臭氧、紫外线辐射耐臭氧时间则可达到180分钟以上。
[0068] 3)考虑到气球在升空过程中经过的极寒冷区域，在常规配方基础上添加耐寒效果更加理想的耐寒增塑剂DOS，确保气球在经过寒冷区域不至于过早球炸而影响升空高度，最终可得到能满足5万米高空探测气象业务的气象气球。
[0069] 实施例2：提供了另一种优化方案：气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100，氢氧化钾0.2，酪素0.3，硫磺0.5，促进剂zbec1.00，防老剂D1.00，抗氧化剂6161.00，防老剂4451.00，氧化锌0.5，DOS4.00。其中，上述各组分的用量均以重量份表示。可获得的气球满足5万米高空探测的需求。
[0070] 实施例3：提供了另一种优化方案：气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100，氢氧化钾0.3，酪素0.4，硫磺1.00，促进剂zbec2.00，防老剂D2.00，抗氧化剂6162.00，防老剂4452.00，氧化锌1.00，DOS6.00。其中，上述各组分的用量均以重量份表示。
可获得的气球满足5万米高空探测的需求。
[0071] 实施例4：提供了另一种优化方案：气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100，氢氧化钾0.4，酪素0.55，硫磺2.00，促进剂zbec3.00，防老剂D3.00，抗氧化剂6163.00，防老剂4453.00，氧化锌2.00，DOS8.00。其中，上述各组分的用量均以重量份表示。
获得的气球满足5万米高空探测的需求。
[0072] 实施例5：提供了另一种优化方案：气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100，氢氧化钾0.45，酪素0.65，硫磺2.50，促进剂zbec4.00，防老剂D4.00，抗氧化剂6164.00，防老剂4454.00，氧化锌2.50，DOS11.00。其中，上述各组分的用量均以重量份表示。可获得的气球满足5万米高空探测的需求。
[0073] 实施例6：提供了另一种优化方案：气象气球，按重量份数比包括以下组分：天然胶乳100，氢氧化钾0.35，酪素0.70，硫磺1.50，促进剂zbec4.50，防老剂D4.50，抗氧化剂6164.50，防老剂4454.50，氧化锌0.5，DOS16.00。其中，上述各组分的用量均以重量份表示。
可获得的气球满足5万米高空探测的需求。
[0074] 实施例7：现有的模型规格不能用于5万米高空探测气象气球的制作，所以要对模型进行重新设计制造，我们通过对模型的长径比进行对比分析，并经多次的
修改，最后确定模型的长径比为1:1.60(即模型长度/最大横截面直径)，气球的升速比较合适，飞行姿态也比较好，试制出来的气球外形能满足了气球技术标准要求；试验过程中模型的长径比如下表7和表8：
[0075] 表7第一次施放使用过程中模型的长径比
[0076]
[0077] 表8第二次施放使用过程中模型的长径比
[0078]
[0079] 台站施放后模型设计调整
[0080] a.第一次施放，2017年11月27日在阳江台站进行一次探索性施放，试验结果如下表9：
[0081] 表9第一次施放试验结果
[0082]试样号 施放高度(米) 是否满足施放高度
1 39271 不达标
2 38535 不达标
3 39078 不达标
[0083] 从第一次施放结果来看，虽然高度在38000～39000米之间，施放效果不理想。因此，我们对模型的比例进行了分析调整，由于模型的横截面积大，上升速度较慢，导致气球在上升过程中停留在臭氧浓度高、温度极低、紫外线强烈的时间长，以至于球皮爆破的机率成倍加大而导致施放高度不甚理想。
[0084] b.第二次施放，根据第一次施放高度情况调整模型的横截面积、比例，调整后初定于在2018年1月于南京大桥厂进行施放，试验结果如下表10：
[0085] 表10第二次施放试验结果
[0086]试样号 施放高度(米) 是否满足施放高度
1 47602 不达标
2 50883 达标
3 47966 不达标
[0087] 表5
[0088] 根据修改后的模型尺寸所施放的升空高度，充分分析模型尺寸比例、施放姿态、升速快慢等等因素，通过在南京大桥厂施放的三个气球高度来对比，今次气球升空高度比第一次施放的升空高度有明显提升，其中当模型的长径比为1:1.60时，制备的气球达到了五万米的高空探测要求。
[0089] 实施例8：还提供一种制备上述实施例1-6所述气象气球的方法，包括：原材料筛选→检验→分散体制备→配凝固剂→配胶乳→浸凝固剂→浸胶乳→停放→浸热水→脱模→清洗→泡水→定型→硫化→检查、修补→包装→入库，如图1所示。
[0090] 其中，1)配凝固剂(关键过程控制点1)
[0091] 配方：
[0092]
[0093]
[0094] 注：陶土和自来水用量可在附着量指标范围内进行适当增减。
[0095] 工艺流程：氯化钙液→自来水→陶土→搅拌→正丁醇→搅拌→过滤→研磨→检验[0096] 过滤条件：不低于80目的过滤网一层、过滤一次以上。
[0097] 检验项目与指标：
[0098]项目 指标
氯化钙含量(％) 16～22
附着量(克/2.5cm2·15秒) 1.6～2.5
[0099] 注意：
[0100] a氯化钙具有吸湿性，可加热；使用时用量需要按溶液的实际浓度折算所得，加热后的氯化钙需要冷却后标定后使用。
[0101] b正丁醇用量需按凝固剂的消泡情况决定。
[0102] c搅拌条件：混合后的凝固剂先搅拌8小时至基本均匀后，加入正丁醇再搅拌半小时直至完全均匀为准。
[0103] d过滤条件：需用一层不低于80目过滤网过滤一次。
[0104] 2)分散体制备
[0105]
[0106]
[0107] 要求：
[0108] a.配比中的氢氧化钾、酪素均采用配好的分散体或溶液。
[0109] b.球磨时间需达到沉降量为准
[0110] c.软水指标：总硬度≤0.5毫克当量/升
[0111] d.控制指标：符合半成品配制生产工艺质量标准。
[0112] 3)配胶乳(关键过程控制点2)
[0113] 加料顺序：天然胶乳→酪素→氢氧化钾→硫磺→防老剂D→防老剂445→抗氧化剂616→促进剂ZBEC→氧化锌→癸二酸二辛酯
[0114] 注:a加酪素、氢氧化钾后搅拌15分钟，再加入其它分散体，加完后再慢速搅拌30分钟。
[0115] b.氧化锌须用软水稀释后加入。
[0116] c本工序是关键过程，在配料过程中要注意：a)分散体及溶液的质量；b)分散体的过滤；c)分散体及溶液的称量；d)投料过程中除了操作者以外，还要有人核对物料，确保配制材料的质量、数量准确无误。
[0117] 检验指标：
[0118]项目 指标
总固体(％) 48～54
粘度(mPa·s) ≤80
氨含量(％) 0.4～0.8
热稳定性(分) 2以上
外观 无水麻点、黑白点
拉伸强度(MPa) ≥19.6
扯断伸长率(％) ≥800
[0119] 4)硫化(关键过程控制点3)
[0120] 技术指标
[0121]
[0122] 技术人员将直接汽硫化出来的产品，采用两种干燥方式，一种是原来温度手动控制的干燥模式，另一种是使用温度自动控制的干燥模式，由于本工序是关键过程，验证过程前后做了大量试验，对比干燥方式对产品性能的影响。
[0123] 从试验结果来看，在同等条件下浸渍、定型、直接汽硫化，温度自动控制干燥和温度手动控制干燥相比，前者得到的气球外观有明显改善，且外观尺寸、理化性能也完全符合企业标准和顾客要求。因此优选采用温度自动控制装置进行干燥硫化。
[0124] 重点说明：
[0125] a.硫化罐使用前必须预热，预热条件：按硫化时直接汽保温条件。
[0126] b.硫化前应仔细扬球，注意检查是否有粘褶。
[0127] c.硫化前应抽测半成品长度，根据球的收缩情况进行硫化，如发现半成品长度不等时，需先进行适当处理，如返充、预干、提前或隔天硫化，以保证成品长度符合要求。
[0128] d.硫化和干燥时，放在硫化车上面进行硫化，每罐不得多于12个产品。
[0129] e.阴雨天，间接汽干燥可适当提高温度，延长干燥时间，以产品干透为准。
[0130] f.硫化好的产品要放在适当的地方，使产品
通风散热良好，不得受日光直接照射。
[0131] g.本工序既是关键过程又是特殊过程，在硫化过程中要注意：升温时间和保温时间、保温温度。
[0132] 实施例9：还提供了一种实施上述制备方法的生产线，包括按厂房长度方向依次设置的浸剂槽3、浸胶槽4、浸渍机5、浸热水槽6、停放处7、脱模处8、洗球槽9、泡球槽10，在生产线末端还设置定型处、硫化装置、检查修补处以及包装台，在厂房长度方向的一端端部并列设置有储剂槽1和储胶槽2，储剂槽和储胶槽靠近浸剂槽，如图3所示。
[0133] 另外，浸渍机顶部设置升降装置3，底部设置行车装置2，内部放置气球模具1，浸渍机一侧设置系统控制箱4，如图2所示。
[0134] 布置生产线时，根据厂房内空间，结合生产5万米高空探测气象气球所需条件，合理布置、划分各个功能区，既要满足设备的提升高度，亦要满足设备下降时的深度。
[0135] 1.由于原生产线采用风缸式设计，局限于厂房的高度，所以风缸式生产线不能满足5万米气象气球的工艺需要。
[0136] 2.高度上采用自动卷扬式设计，在保证上提时、下降过程的稳定性的前提下，能有效改善由于风缸造成的局限性，最大化利用现有厂房的高度空间。
[0137] 3.深度则采用了下沉式设计，既保证模型在下降时有足够的空间，又满足了生产工艺上的需要。
[0138] 由于5万米气球球体比常规气球要大得多，各个功能槽的选址、布局、尺寸等等也进行合理分配。
[0139] 采用全新自动式设计的生产线替代原生产线的风缸式设计，既满足了设备的提升高度，亦满足了设备下降时的深度，进而满足5万米高空探测的气象气球的试制需要。
