环氧树脂及环氧树脂基固体浮力材料吸水性现状剖析与前沿洞察
海洋开发面临许多难题，其中一个关键难点是与深海设备相配套的固体浮力材料。目前固体浮力材料主要是由空心玻璃微珠与热固性树脂体系复合而成。其中，热固性树脂应用最多的为环氧树脂，其具有较高的强度，空心玻璃微珠的填充则可降低整体密度。
固体浮力材料目前存在问题
1. 环氧树脂分子链中的强极性基团，具有一定的亲水性。而水分子的存在将会导致材料性能下降并影响材料的使用寿命。
2. 空心玻璃微珠在与环氧树脂混合的过程中混入的空气以及两相界面存在的间隙会导致浮力材料的吸水率升高。如果固体浮力材料在深海环境下吸水率过高，不仅密度升高，失去材料的功能性；材料强度、稳定性、使用寿命等性能也会降低。
环氧树脂的吸水性
环氧树脂吸水是一个过程，随着时间的推移，吸水速率会越来越小，吸水率趋于稳定，最终会达到一个平衡状态。
1. 环氧树脂结构对吸水性的影响
环氧树脂种类较多，分子量分布范围很广，从几百到几万不等。在环氧树脂吸水性研究中，研究较多的是双酚A型环氧树脂，其余还有针对混合型环氧树脂、双酚F型环氧树脂等。
其中双酚A型环氧树脂的结构式造成环氧树脂吸水的原因有两个，一是自由体积，二是极性基团的存在。吸水过程中，水分子依Fick扩散定律进入到环氧树脂内部的分子间隙中，占据自由体积；同时一部分水分子与环氧树脂中的极性基团（环氧基以及羟基、酯基、醚键、胺键、酯键等）结合，形成稳定的化学键，以结合水的形式固定在材料中。
通过一些学者的研究我们可知：
1. 环氧树脂的主链和侧链柔顺性增加，吸水性增大；
2. 环氧树脂的分子结构越致密，则自由体积越小，吸水率越低；
3. 酯基等极性基团的增加会使环氧树脂极性增加，从而使吸水性增大。
2. 环氧树脂固化剂对吸水性的影响
固化剂的选择对环氧树脂固化体系的吸水性有着密切的关系，不同固化剂参与的环氧树脂固化体系有不同的自由体积与极性基团量，致使环氧树脂固化体系吸水性不同。
3. 环氧树脂固化工艺和固化程度对吸水性的影响
环氧树脂吸水性除了与环氧树脂、固化物种类有关，还与固化程度有着密切的关系。
研究表明：随着固化程度增大，极性基团密度增加，吸水率增加，但升高温度，由于固化程度不高，链段的自由度较大，吸水较多，增大固化程度后，链段自由度降低，吸水率下降，并且由于极性基团的因素，在95%固化程度时达到最低吸水率。
综上所述，环氧树脂固化体系中，极性基团、自由体积和固化率对吸水率都有影响，其中极性基团的因素占到主要作用。除此之外，压强、温度等条件都对吸水率有影响，探究其根本都是通过极性基团以及自由体积的变化来实现的。
固体浮力材料的吸水性
固体浮力材料是以空心玻璃微珠作为填充物，固化环氧树脂作为基体的复合材料。研究固体浮力材料的吸水性，需要考虑材料自身性质结构以及环境的因素
研究表明，吸水初始阶段，固体浮力材料的吸水为典型菲克扩散现象，吸水曲线与时间的平方根成线性增加的关系。并且温度越高，吸水速率越快，平衡吸水量越大。这与环氧树脂的吸水性一致，可能是由于受热促进基团水解造成的。并且，空心玻璃微珠填充量越大，材料吸水量越大，达到平衡状态所用时间越长，这与微珠的填充使材料内部空穴缺陷增多有关。
活化空心玻璃微珠所使用硅烷偶联剂的量对吸水率有较大影响，硅烷偶联剂的添加量不足，空心玻璃微珠与环氧树脂固化体系界面间存在间隙，故空心玻璃微珠添加量越大材料缺陷越多、吸水率越大；硅烷偶联剂添加量增大到一定程度后，空心玻璃微珠与环氧树脂固化体系界面间间隙因素可以忽略，空心玻璃微珠添加量越大材料吸水率越低。
展望
由于树脂分子间自由体积及极性亲水基团的存在，使得环氧树脂具有一定的吸水性；而空心玻璃微珠的吸水性极小，可以忽略不计，所以浮力材料的吸水主要来源于环氧树脂基体和固化体系中残余的空气泡。将玻璃微珠表面处理之后，降低界面间形成空气泡的影响，浮力材料吸水性则主要受环氧树脂基体的影响。
目前针对固体浮力材料吸水性的研究多集中于玻璃微珠含量、温度以及低静水压对于吸水率的影响，而对于全海深静水压下吸水性的研究较少。固体浮力材料的吸水体系不够完整。为了在深海环境下更好应用固体浮力材料，应当更多研究100MPa以上静水压下材料的吸水性以及该环境下材料性能的变化。
