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研究和開發(fā)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(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)用范圍也越來越廣[5-6]。通過對(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。通常來說，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)無機(jī)物具有反應(yīng)性[2]。因此，利用硅烷偶聯(lián)劑來對(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?？招牟Ａ⒅榈谋砻婊罨瘷C(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)單來說，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。空心玻璃微珠/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“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

空心玻璃微珠作為無機(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。