空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的制備及隔熱性能研究

陳金偉

（中鋼集團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機材料，由于其為中空結構，其具有質地輕、體積大、電阻率高及導熱系數低的特點，并且由于外觀是中空的球狀，其又具有流動性強、抗壓能力好的優點[1-2]。與此同時，空心玻璃微珠可以形成具有親油、疏水性能優良的材料，可以充分分散在樹脂等有機材料中加以利用。由于空心玻璃微珠質地輕、體積大及導熱系數低的特點，其可以應用到復合材料的制備中，制備的優良復合材料具有減輕重量、保溫絕緣、隔熱隔音及防裂等優良性能，已被廣泛應用于航空航天、輸油輸氣管道保溫等領域[3-4]。聚丙烯材料是近年來研究和開發比較多的熱塑性樹脂材料，在五大通用材料中，聚丙烯材料是最輕的、密度最小的材料，并且其化學穩定性好、電絕緣和力學性能也都比較優良，因此其應用范圍也越來越廣[5-6]。通過對空心玻璃微珠表面進行活化處理，然后填充在聚丙烯材料中，人們可以制備出空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料，該復合材料具有重量輕、保溫隔熱、絕緣防裂等優良的性能。

1 空心玻璃微珠的表面活化機理分析

空心玻璃微珠是表面帶有親水基團羥基的無機硅酸鹽材料，人們可以利用硅烷偶聯劑對其表面進行活化處理。通常來說，硅烷偶聯劑是含有有機官能團和硅烷氧基的物質，有機官能團對于有機物質具有反應性或相容性，而硅烷氧基對無機物具有反應性[2]。因此，利用硅烷偶聯劑來對空心玻璃微珠進行表面活化處理，可以改善空心玻璃微珠的吸油值和界面結合力，同時利用硅烷偶聯劑來對空心玻璃微珠進行表面活化處理，可以改善和擴大空心玻璃微珠的應用范圍。空心玻璃微珠的表面活化機理和流程如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠的表面活化機流程

2 空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的制備研究

2.1 空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的制備工藝分析

現將利用硅烷偶聯劑活化處理過的空心玻璃微珠和聚丙烯，采用共混工藝進行改性造粒來制備空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料，然后采用注塑工藝制備標準樣條。簡單來說，空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的制備工藝就是“共混與注塑”制備工藝。其具體的制備過程為，首先利用硅烷偶聯劑對空心玻璃微珠進行表面的活化改性，然后將活化后的空心玻璃微珠與聚丙烯材料按照2:1的比例準備，用雙螺桿擠出機擠出高濃度的混合料，空心玻璃微珠采用側喂料計量加入，然后造成顆粒，將制備出的高含量的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料顆粒與聚丙烯材料進行不同比例的混合，在加熱溫度210℃左右進行高速攪拌，攪拌轉速控制在100 r/min，利用螺桿擠出機擠出混合料，用注塑機在保證料筒溫度210℃、模具溫度45℃、注射壓力70 MPa的條件下制成標準樣條。空心玻璃微珠/聚丙烯復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/聚丙烯復合材料的表征

空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料制樣完成后，可以利用紅外光譜儀對其復合材料的結構進行測定，利用掃描電鏡和高倍顯微鏡進行復合材料微觀結構的表征和分析。通過高倍顯微鏡，人們可以觀察出空心玻璃微珠在利用硅烷偶聯劑進行表面活化前后的微觀結構變化，利用紅外光譜儀對空心玻璃微珠表面活化前后的分子結構進行表征，表面活化前沒有明顯的羥基峰或其他基團的峰。利用硅烷偶聯劑進行表面活化的空心玻璃微珠的紅外光譜圖在波數781.65 cm-1、1013.58 cm-1和3431.80 cm-1處的特征吸收峰發生了藍移，而1563.3 cm-1為N-H彎曲振動，3431.80cm-1為N-H伸縮振動，說明空心玻璃微珠在硅烷偶聯劑的作用下已經發生表面的活化改性。

另外，通過掃描電鏡，人們可以對空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的微觀結構進行觀察和表征，并以未表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料作為對照，觀察表面活化后的空心玻璃微珠與聚丙烯材料進行注塑工藝制備的復合材料的微觀結構差異。空心玻璃微珠/聚丙烯復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，可以對采用“共混與注塑”工藝制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料進行性能分析，如力學性能（復合材料的拉伸強度變化情況、彎曲強度變化情況及沖擊強度的變化情況等）和流變性能。其中，流變性能的測試，如制備的未表面活化和表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的熔體粘黏度的變化等，都能對經過“共混與注塑”工藝制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料進行相關的表征和分析。

2.2 空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的隔熱性能分析

通過制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的維卡軟化點測試來對空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的隔熱性能進行針對性的研究和分析，試驗分析研究可知，當利用硅烷偶聯劑進行表面活化的空心玻璃微珠作為填料用于制備聚丙烯復合材料時，經過表面活化的空心玻璃微珠能夠降低聚丙烯材料的導熱系數，從而保證制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的隔熱性能優良，并且可以根據不同材料理化性能的需求來對表面活化的空心玻璃微珠進行不同比例的填充，以達到所需的隔熱性能要求，同時在一定程度上降低聚丙烯復合材料的制備成本。

表1 空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的導熱系數的測定

通過設計試驗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/聚丙烯復合材料的導熱系數的變化情況，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合材料的導熱系數要比純的聚丙烯材料有所降低，并且在一定的比例范圍內，制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的導熱系數隨著微珠體積分數的增加呈下降趨勢，兩者大致呈線性函數關系，從而說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/聚丙烯復合材料的隔熱性能更加優良。

3 結語

空心玻璃微珠作為無機非金屬材料，其具有質地輕、體積大、絕緣絕熱性能好和抗壓能力強等特點，在涂料行業、航空航天等領域都有著極其廣泛的應用前景和價值。通過利用硅烷偶聯劑對高性能空心玻璃微珠的表面進行活化處理，然后作為填充材料與質地一樣輕、化學性能穩定的聚丙烯材料進行復合，制備出隔熱性能優良的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料，采用“共混與注塑”工藝進行空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的制備，并且利用紅外光譜儀、掃描電鏡、高倍顯微鏡等對其微觀結構和分子結構進行表征，然后通過制備的空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料的導熱系數測定來對其隔熱性能進行系統研究，以實現空心玻璃微珠/聚丙烯復合材料更廣范圍的應用。