空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的制備及隔熱性能研究

陳金偉

（中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

空心玻璃微珠是中空的球狀無(wú)機(jī)材料，由于其為中空結(jié)構(gòu)，其具有質(zhì)地輕、體積大、電阻率高及導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，并且由于外觀是中空的球狀，其又具有流動(dòng)性強(qiáng)、抗壓能力好的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。與此同時(shí)，空心玻璃微珠可以形成具有親油、疏水性能優(yōu)良的材料，可以充分分散在樹(shù)脂等有機(jī)材料中加以利用。由于空心玻璃微珠質(zhì)地輕、體積大及導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，其可以應(yīng)用到復(fù)合材料的制備中，制備的優(yōu)良復(fù)合材料具有減輕重量、保溫絕緣、隔熱隔音及防裂等優(yōu)良性能，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、輸油輸氣管道保溫等領(lǐng)域[3-4]。聚丙烯材料是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)比較多的熱塑性樹(shù)脂材料，在五大通用材料中，聚丙烯材料是最輕的、密度最小的材料，并且其化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣和力學(xué)性能也都比較優(yōu)良，因此其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣[5-6]。通過(guò)對(duì)空心玻璃微珠表面進(jìn)行活化處理，然后填充在聚丙烯材料中，人們可以制備出空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有重量輕、保溫隔熱、絕緣防裂等優(yōu)良的性能。

1 空心玻璃微珠的表面活化機(jī)理分析

空心玻璃微珠是表面帶有親水基團(tuán)羥基的無(wú)機(jī)硅酸鹽材料，人們可以利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其表面進(jìn)行活化處理。通常來(lái)說(shuō)，硅烷偶聯(lián)劑是含有有機(jī)官能團(tuán)和硅烷氧基的物質(zhì)，有機(jī)官能團(tuán)對(duì)于有機(jī)物質(zhì)具有反應(yīng)性或相容性，而硅烷氧基對(duì)無(wú)機(jī)物具有反應(yīng)性[2]。因此，利用硅烷偶聯(lián)劑來(lái)對(duì)空心玻璃微珠進(jìn)行表面活化處理，可以改善空心玻璃微珠的吸油值和界面結(jié)合力，同時(shí)利用硅烷偶聯(lián)劑來(lái)對(duì)空心玻璃微珠進(jìn)行表面活化處理，可以改善和擴(kuò)大空心玻璃微珠的應(yīng)用范圍。空心玻璃微珠的表面活化機(jī)理和流程如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠的表面活化機(jī)流程

2 空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的制備研究

2.1 空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的制備工藝分析

現(xiàn)將利用硅烷偶聯(lián)劑活化處理過(guò)的空心玻璃微珠和聚丙烯，采用共混工藝進(jìn)行改性造粒來(lái)制備空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料，然后采用注塑工藝制備標(biāo)準(zhǔn)樣條。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的制備工藝就是“共混與注塑”制備工藝。其具體的制備過(guò)程為，首先利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)空心玻璃微珠進(jìn)行表面的活化改性，然后將活化后的空心玻璃微珠與聚丙烯材料按照2:1的比例準(zhǔn)備，用雙螺桿擠出機(jī)擠出高濃度的混合料，空心玻璃微珠采用側(cè)喂料計(jì)量加入，然后造成顆粒，將制備出的高含量的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料顆粒與聚丙烯材料進(jìn)行不同比例的混合，在加熱溫度210℃左右進(jìn)行高速攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速控制在100 r/min，利用螺桿擠出機(jī)擠出混合料，用注塑機(jī)在保證料筒溫度210℃、模具溫度45℃、注射壓力70 MPa的條件下制成標(biāo)準(zhǔn)樣條?？招牟Ａ⒅?聚丙烯復(fù)合材料制備試樣的工藝流程如圖2所示。

圖2 空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的表征

空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料制樣完成后，可以利用紅外光譜儀對(duì)其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，利用掃描電鏡和高倍顯微鏡進(jìn)行復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的表征和分析。通過(guò)高倍顯微鏡，人們可以觀察出空心玻璃微珠在利用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面活化前后的微觀結(jié)構(gòu)變化，利用紅外光譜儀對(duì)空心玻璃微珠表面活化前后的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，表面活化前沒(méi)有明顯的羥基峰或其他基團(tuán)的峰。利用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面活化的空心玻璃微珠的紅外光譜圖在波數(shù)781.65 cm-1、1013.58 cm-1和3431.80 cm-1處的特征吸收峰發(fā)生了藍(lán)移，而1563.3 cm-1為N-H彎曲振動(dòng)，3431.80cm-1為N-H伸縮振動(dòng)，說(shuō)明空心玻璃微珠在硅烷偶聯(lián)劑的作用下已經(jīng)發(fā)生表面的活化改性。

另外，通過(guò)掃描電鏡，人們可以對(duì)空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和表征，并以未表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料作為對(duì)照，觀察表面活化后的空心玻璃微珠與聚丙烯材料進(jìn)行注塑工藝制備的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)差異?？招牟Ａ⒅?聚丙烯復(fù)合材料的掃描電鏡圖如圖3所示。

圖3 空心玻璃微珠SEM照片

與此同時(shí)，可以對(duì)采用“共混與注塑”工藝制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行性能分析，如力學(xué)性能（復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化情況、彎曲強(qiáng)度變化情況及沖擊強(qiáng)度的變化情況等）和流變性能。其中，流變性能的測(cè)試，如制備的未表面活化和表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的熔體粘黏度的變化等，都能對(duì)經(jīng)過(guò)“共混與注塑”工藝制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行相關(guān)的表征和分析。

2.2 空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的隔熱性能分析

通過(guò)制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)測(cè)試來(lái)對(duì)空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的隔熱性能進(jìn)行針對(duì)性的研究和分析，試驗(yàn)分析研究可知，當(dāng)利用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面活化的空心玻璃微珠作為填料用于制備聚丙烯復(fù)合材料時(shí)，經(jīng)過(guò)表面活化的空心玻璃微珠能夠降低聚丙烯材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而保證制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的隔熱性能優(yōu)良，并且可以根據(jù)不同材料理化性能的需求來(lái)對(duì)表面活化的空心玻璃微珠進(jìn)行不同比例的填充，以達(dá)到所需的隔熱性能要求，同時(shí)在一定程度上降低聚丙烯復(fù)合材料的制備成本。

表1 空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)表面活化的空心玻璃微珠與聚丙烯材料的不同配比，具體分析制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況，如表1所示。從表1可以看出，填充表面活化的空心玻璃微珠的聚丙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比純的聚丙烯材料有所降低，并且在一定的比例范圍內(nèi)，制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著微珠體積分?jǐn)?shù)的增加呈下降趨勢(shì)，兩者大致呈線性函數(shù)關(guān)系，從而說(shuō)明利用表面活化的空心玻璃微珠作為填充制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的隔熱性能更加優(yōu)良。

3 結(jié)語(yǔ)

空心玻璃微珠作為無(wú)機(jī)非金屬材料，其具有質(zhì)地輕、體積大、絕緣絕熱性能好和抗壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在涂料行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。通過(guò)利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)高性能空心玻璃微珠的表面進(jìn)行活化處理，然后作為填充材料與質(zhì)地一樣輕、化學(xué)性能穩(wěn)定的聚丙烯材料進(jìn)行復(fù)合，制備出隔熱性能優(yōu)良的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料，采用“共混與注塑”工藝進(jìn)行空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的制備，并且利用紅外光譜儀、掃描電鏡、高倍顯微鏡等對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，然后通過(guò)制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定來(lái)對(duì)其隔熱性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，以實(shí)現(xiàn)空心玻璃微珠/聚丙烯復(fù)合材料更廣范圍的應(yīng)用。