膨脹玻化微珠/熱固性樹脂輕質復合材料研究

蔡靜平，王羅新*，吳 靜，劉偉華，羅淑湘

(1 武漢紡織大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073；2 山東創智新材料科技有限公司，山東 濰坊 261100；3 北京市建筑技術發展有限公司，北京 100038)

膨脹玻化微珠(EVB)[1]是一種新型無機玻璃質礦物材料，經破碎、篩分、高溫瞬時燃燒膨脹玻化而成的內部多孔﹑表面玻化封閉的球狀體顆粒。與其他固體材料相比較，膨脹玻化微珠具有較小的密度、較大的比表面積和較好的分散性，近年來將其作為輕質骨料應用于輕質砂漿和抹灰材料得到了廣泛的研究[2-4]。其所特有的輕質環保、節能保溫的性能使其成為繼粉煤灰[5]、膨脹珍珠巖[6]、聚苯顆粒[7,8]等諸多傳統輕質絕熱材料之后的一種新型無機輕質絕熱材料，采用膨脹玻化微珠作為骨料可以彌補膨脹珍珠巖的易粉化和聚苯顆粒的易燃的不足，因此膨脹玻化微珠越來越廣泛的應用于建筑保溫隔熱材料。

然而，膨脹玻化微珠也具有輕質骨料的缺陷—低抗壓強度，導致其在使用中吸水率增大，保溫性能降低，為彌補膨脹玻化微珠在使用中吸水率增大的問題，孟慶林等[9]采用有機硅憎水劑對玻化微珠進行了表面處理，顯著降低了其吸水率。在顆粒改性方面，本課題從增強著手，采用熱固性脲醛樹脂(UF)[10]作為改性劑，增大膨脹玻化微珠自身強度的同時減小其吸水率，從而減小其在使用過程中的吸水率，保持了其優異的保溫性能。在復合板材方面，本課題采用耐火材料用熱固性酚醛樹脂(PF)[11]作為膠黏劑，開發出一種具有阻燃防火用，耐壓性能和保溫性能優異的復合板材。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

膨脹玻化微珠：粒徑60-80目，用于膨脹玻化微珠的改性；粒徑 20-40目，用于復合板材的制備，山東創智新材料科技有限公司，膨脹玻化微珠的表觀形貌見圖1，化學成分分析見表1；酚醛樹脂：工業級，武漢力發化工有限責任公司；無水乙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；脲醛樹脂，市售；氯化銨：國藥集團化學試劑有限公司，AR。

表1 膨脹玻化微珠的化學成分分析

圖1 膨脹玻化微珠表觀形貌

圖2 脲醛樹脂的量對玻化微珠筒壓強度的影響

1.2 改性膨脹玻化微珠的制備

將膨脹玻化微珠置于105℃的溫度下干燥兩小時，取25g氯化銨固體，配制成濃度為1%的氯化銨水溶液。取脲醛樹脂和適量氯化銨溶液攪拌均勻，將其混合均勻后涂覆在膨脹玻化微珠的表面，將表面包覆有增強液的膨脹玻化微珠在常溫下固化，固化后將其置于110℃溫度的條件下干燥2小時，得到具有脲醛樹脂表面包覆增強層的膨脹玻化微珠，試驗中所采用的脲醛樹脂與膨脹玻化微珠的質量百分比為0%、20%、40%、60%、80%、100%、120%、140%、160%、180%，試驗中所用的氯化銨用量為脲醛樹脂質量的2%。

1.3 復合板材的制備

將膨脹玻化微珠置于 105℃的溫度下干燥兩小時，取一定量的無水乙醇稀釋酚醛樹脂，將酚醛樹脂與膨脹玻化微珠混合均勻，按照1:1.2的壓縮比置于鋼質模具內并壓實撫平，置于烘箱內在160℃的溫度條件下固化成型，固化時間與板材的厚度相關。所采用的模具大小為 70mm×70mm×70mm與 160mm×40mm×40mm兩種，前者固化時間為3h，后者的固化時間為5h。

1.4 測試方法

按照JC/T1042-2007玻化微珠的標準要求，測量膨脹玻化微珠顆粒的體積吸水率和筒壓強度，筒壓強度采用微機控制電子式萬能實驗機（濟南聯工測試技術有限公司WDW-20E型萬能試驗機）測試；采用導熱系數測定儀HC-074-200測量膨脹玻化微珠和復合板材的導熱系數。采用微機控制電子式萬能實驗機測定樣塊（試樣尺寸為 70mm×70mm×70mm）的壓縮強度；采用簡支梁擺錘沖擊強度試驗機測定樣塊（試樣尺寸為160mm×40mm×40mm）的沖擊強度。

2 結果與討論

2.1 膨脹玻化微珠的表面改性

2.1.1 脲醛樹脂量對膨脹玻化微珠筒壓強度的影響

圖2為脲醛樹脂量與改性膨脹玻化微珠筒壓強度的關系曲線。由圖2可知，改性后膨脹玻化微珠的筒壓強度有顯著的提高，并且隨著脲醛樹脂含量的增加而增大。改性前，由于所使用的膨脹玻化微珠粒徑較小，其筒壓強度為182.08Kpa，當所使用的脲醛樹脂量為膨脹玻化微珠質量的20%時，其筒壓強度達到了360.67 Kpa，急劇增大為原樣的2倍，脲醛樹脂的增強效果非常明顯。

2.1.2 脲醛樹脂對膨脹玻化微珠密度的影響

表2為脲醛樹脂用量與改性膨脹玻化微珠堆積密度關系圖表。從表2可以看出隨著脲醛樹脂相對用量的增加，改性膨脹玻化微珠的堆積密度也隨之增加。膨脹玻化微珠的主要成分是二氧化硅，壁薄中空，密度很小，而改性后表面脲醛樹脂層的相對密度遠遠大于膨脹玻化微珠自身的密度，這是導致其增大的主要原因，當脲醛樹脂用量為膨脹玻化微珠質量的100%時，改性后膨脹玻化微珠的堆積密度為117.72 Kg/m3，相對于改性前增大了60.64%，同時仍然具有輕質的優異性能，但此時強度提高了將近3倍，吸水率也減小了約10個百分點。

表2 脲醛樹脂用量對膨脹玻化微珠堆積密度的影響

2.1.3 脲醛樹脂量對膨脹玻化微珠吸水性能的影響

圖3所示為脲醛樹脂的量與改性膨脹玻化微珠體積吸水率的關系曲線，從圖3中可以看出，改性后膨脹玻化微珠的吸水率下降幅度很大，而隨著脲醛樹脂用量的變化其體積吸水率的變化幅度較小。當脲醛樹脂用量僅為膨脹玻化微珠質量的 20%時，膨脹玻化微珠的體積吸水率從原來的 29.97%降至改性后的20.66%。改性后膨脹玻化微珠的體積吸水率相比于原樣降低了27.71%。

脲醛樹脂固化后，在膨脹玻化微珠的表面形成了一層兼具增強和疏水特性的樹脂層，該樹脂層同時也增大了膨脹玻化微珠與水分子之間的接觸角，封閉了膨脹玻化微珠表面存在的微孔結構，從而達到了降低其吸水率的目的。一般對于保溫材料來講，其體積吸水率越低，保溫效果也越好，這對于提高膨脹玻化微珠使用中的保溫性能具有很大的積極作用。

圖3 脲醛樹脂量對玻化微珠吸水率的影響

圖4 脲醛樹脂量對玻化微珠導熱系數的影響

2.1.4 脲醛樹脂量對膨脹玻化微珠導熱系數的影響

圖4為脲醛樹脂量與膨脹玻化微珠導熱系數的關系曲線。可以看出，膨脹玻化微珠的導熱系數整體呈現略有上升的趨勢，但變化幅度不大。改性后，其導熱系數在0.0388～0.04585 W/(m·K) 之間，根據JC/T 1042-2007的要求，按照導熱系數分類，改性后膨脹玻化微珠屬于Ⅰ類和Ⅱ類，符合標準的要求，同時，其導熱系數也在國家規定的保溫材料的要求之內。在三種溫度條件下，改性后的膨脹玻化微珠相對于原樣的變化范圍在-4% - 13%之間。改性后膨脹玻化微珠的導熱系數略有增大可能是由于改性后小粒徑的膨脹玻化微珠粒徑變大，顆粒間空隙增大，空氣對流量增加導致。然而改性膨脹玻化微珠的強度增加，破碎率和吸水率大幅降低，在后期應用的過程中，這對于其保溫性能的提高具有很大的積極作用。

2.2 酚醛樹脂/膨脹玻化微珠二元復合板材

為進一步擴寬膨脹玻化微珠的應用范圍，課題組采用耐火材料用酚醛樹脂作為粘結劑，制備了酚醛樹脂/膨脹玻化微珠二元復合板材。在前期工作中，課題組已采用熱固性酚醛樹脂對膨脹玻化微珠進行了改性研究，酚醛樹脂可以提高膨脹玻化微珠的綜合性能。同時，酚醛樹脂具有優異的防火耐熱和保溫疏水的性能，采用酚醛樹脂做為粘結劑所制備的復合板材同時具有輕質、防火耐熱和保溫效果良好的優異性能。

表3顯示了酚醛樹脂使用量對復合板材堆積密度、抗壓強度和沖擊強度的影響。從表中可以看出，所制備的二元復合板材密度均在200Kg/m3以下，屬于國家對于輕質板材的規定范圍。復合板材的壓縮強度和沖擊強度均隨著酚醛樹脂用量的增加而增加，復合板材具有一定的耐壓能力和耐沖擊能力，能夠作為非支撐材料使用，同時從表3中可以看出，該二元復合板材的導熱系數僅為0.045 W/(m·K)左右，具有非常優異的保溫性能，可廣泛作為墻體保溫材料用，同時該板材具有不燃不融的優異性能，具有非常好的耐火作用。

表3 酚醛樹脂用量對復合板材性能的影響

3 結論

（1）采用熱固性脲醛樹脂對膨脹玻化微珠進行表面包覆改性得到了改性膨脹玻化微珠。結果表明，改性后的膨脹玻化微珠的吸水率明顯降低，最大下降了10.6個百分點；當脲醛樹脂和玻化微珠的質量百分比為20%時，其筒壓強度增大為原樣的1.98倍，而此時，其堆積密度僅為原樣的1.27倍；改性后的導熱系數變化不大。綜合以上性能可以說明，改性玻化微珠表現出更加優異的性能，使得膨脹玻化微珠的使用更加方便，改善了其后期產品加工和運輸條件，同時也提高后期產品的保溫性能。

（2）采用熱固性酚醛樹脂作為膠黏劑制備了酚醛樹脂/膨脹玻化微珠二元復合板材，結果表明：該二元復合板材的體積密度低于200Kg/m3，導熱系數低于0.050W/(m·K)，具有一定的壓縮強度和沖擊強度。該復合板材的模具成型法制備過程簡單，板材具有耐火阻燃，保溫效果優異，以及一定的隔音效果和防水效果，是一種高效節能復合保溫板材。

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