液体硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料的制备及性能研究

王慧利，邓建国，舒远杰，纪兰香

（1.西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳621010；2.中国工程物理研究院化工材料研究所新材料研发中心，四川 绵阳621900）

液体硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料的制备及性能研究

王慧利1，2，邓建国2＊，舒远杰1，纪兰香2

（1.西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳621010；2.中国工程物理研究院化工材料研究所新材料研发中心，四川 绵阳621900）

以液体硅橡胶（LSR）为基材、中空玻璃微珠为填料，通过共混法制备了隔热材料，探讨了不同含量、不同粒径中空玻璃微珠对材料热导率、力学性能及填料分散性的影响。结果表明，材料的拉伸强度及断裂伸长率随中空玻璃微球用量的增加而降低，粒径越大降幅越大；中空玻璃微珠的粒径越小，其在LSR基材中的分散性越好；材料的热导率随中空玻璃微珠用量的增加呈先下降后上升趋势，且填充同样含量的中空玻璃微珠，粒径越小，材料的热导率降低幅度越大；加入15份平均粒径为40μm的中空玻璃微珠，材料的热导率最低为0.0135W/m·K。

液体硅橡胶；中空玻璃微珠；隔热材料；热导率

0 前言

目前，我国建筑、航天已成为社会两大主要耗能领域，建筑节能最直接有效的方法是使用保温隔热材料［1］。夹层玻璃以其优异的安全、隔音、隔热、抗紫外线等特性被广泛应用于建筑业。目前，玻璃夹层中间膜的主要材料聚乙烯醇缩丁醛树脂（PVB）市场基本被美国、日本垄断［2］，价格昂贵，制约了我国建筑夹层玻璃的发展。近年来，硅橡胶以其优异的性能，如耐高、低温、耐高压、耐臭氧老化性等，被广泛应用于玻璃夹层中间膜。使夹层玻璃中间膜不仅能起到安全玻璃的作用，还可通过对夹胶材料的隔热、隔音改性而制得具有隔热、隔音等功能性的夹层玻璃中间膜。另外，随着航空、宇航、电子电气等高科技领域的快速发展，对隔热材料提出了更为苛刻的要求，在满足低导热性的同时希望隔热材料具有优良的综合性能，即隔热的同时能够起到绝缘和减震作用，为了满足以上需要，科研人员已经对这一领域开展了深入研究，并取得了一定的成绩。

在中空二氧化硅、中空纤维和中空玻璃微珠等中空填料中，中空玻璃微珠以其原料丰富、制备简单、价格低廉等优势，在隔热隔音水泥、隔热隔音涂料［3－4］等领域得到广泛研究与应用。中空玻璃微珠是一种无机非金属材料，具有质量轻、体积大、热导率低、抗压强度高、分散性好、流动性好、稳定性好等优点，同时还具有低吸油、绝缘、自润滑、隔音、无毒等一些普通材料不具备的优异性能。国外从20世纪70年代开始将其作为一种新型填充材料，在复合材料、石油化工、航天航空、涂料等领域开展应用研究［5－8］。近年来，国内也对该材料进行了广泛的研究和应用。

本研究以中空玻璃微珠为主要填料、LSR为基体制备了低热导率的轻质多孔隔热复合材料，分析了中空玻璃微珠含量及粒径大小对材料隔热性能、力学性能、分散情况的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

LSR，TCS－110，广州天赐有机硅科技有限公司；

γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，KH570，成都市科龙化工试剂厂；

正硅酸乙酯（TEOS），化学纯，北京化工厂；

二月桂酸二丁基锡（DBTDL），分析纯，成都市科龙化工试剂厂；

中空玻璃微珠，性能参数如表1所示，秦皇岛秦皇空心玻璃微珠公司。

1.2 主要设备及仪器

材料试验机，Instron－5582SP1376，英斯特朗公司；

电热恒温鼓风干燥箱，DHG－9123，山海精宏试验设备有限公司；

真空干燥箱，DZF－6050，上海精宏实验设备有限公司；

表1 中空玻璃微珠的性能参数Tab.1 The property parameters of hollow glass beads

扫描电子显微镜（SEM），Apollo 300，英国Cam Scan公司；

绝热材料（平板）导热系数测试仪，DRX－I－PC，湘潭华丰仪器制造有限公司；

高功率超声洗涤器，KQ－400KDB，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 样品制备

中空玻璃微珠表面处理：将中空玻璃微珠先用0.1mol/L的稀盐酸洗涤，再用水冲洗后140℃干燥3h。将偶联剂添加到乙醇中配制成5%（质量分数）的溶液，并按一定比例加到干燥过的中空玻璃微珠中，超声1h后在烘箱中80℃烘干4h；

隔热材料制备：按每100份LSR中分别添加0、5、10、12.5、15、17.5、20份3种牌号的中空玻璃微珠，将处理好的填料分次加入计量好的LSR中，充分搅拌使填料均匀分散。之后加入交联剂TEOS、催化剂DBTDL，混合均匀后将胶料放入真空箱内抽真空，待内部气泡排尽后注入模具，100℃硫化30min取出，制成标准样条。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸强度及断裂伸长率按GB/T 528—2009进行测试，拉伸速率为500mm/min，测试温度为23℃；

SEM分析：将样品截取截面镀金，测试电压为5.00kV，放大倍率为500倍，观察中空玻璃微珠在LSR中的分散性情况；

热导率测定：用模具制出厚度为11mm、边长为300mm的方形固化样品，护热温度为40℃，测试时间为3h，测试温度为25℃。

2 结果与讨论

2.1 隔热材料的力学性能

从图1可以看出，分别填充3种玻璃微珠的隔热材料的拉伸强度随中空玻璃微珠用量的增加而降低；在相同含量下，隔热材料的拉伸强度随玻璃微珠粒径的增大而降低。这主要是因为引入球形微珠，相当于破坏了LSR基体内部的均一性，从而引起隔热材料力学性能下降［9］。另外玻璃微珠的表面修饰改性不完善，使微珠表面与LSR界面作用力小，未起到有效的增强作用，因而随着粒径的增加，微珠的表面积增加，相当于材料中缺陷增大，从而造成隔热材料拉伸强度减小。在加入少量粒径较小的中空玻璃微珠A时，对隔热材料的拉伸强度影响相对较小。

从图1（b）可以看出，隔热材料的断裂伸长率随着中空玻璃微珠含量的增加呈先下降后上升再下降的趋势，由于加入的中空玻璃微珠密度较低，壁壳结构疏松，其自身强度比较低，破坏了LSR原有的结构，使隔热材料的断裂伸长率较LSR低。当中空玻璃微珠A含量为12.5份时，隔热材料的热导率在下降的过程中出现一个峰值，填充中空玻璃微珠B和C的隔热材料15份时分别出现了2个峰值，但相比较，中空玻璃微珠A作为填料时隔热材料的断裂伸长率更大些。

图1 不同粒径中空玻璃微珠的含量对隔热材料力学性能的影响Fig.1 Effect of contents of hollow glass beads with different particle diameter on mechanical properties of heat－insulation composites

2.2 隔热材料的SEM分析

图2是反映不同粒径中空玻璃微珠用量为15份时，隔热材料的SEM照片。由图2可以看出，随着中空玻璃微珠粒径的增大，其在LSR基体中的分散性变差，堆积现象明显，不利于降低热导率。中空玻璃微珠A作为填料时，材料横截面的玻璃微珠分布相对均匀，堆积现像不明显，LRS基本可以阻隔微珠与微珠之间的接触，从而降低隔热材料的热导率，达到真正的节能降耗。

图2 不同粒径中空玻璃微珠填充的隔热材料的SEM照片Fig.2 SEM micrographs for heat－insulation composites with different particle diameter of hollow glass beads

2.3 隔热材料的导热性能

热导率是隔热材料的一个重要参数，表示在能量传递过程中热量从温度高的部分传递到温度低的部分的数量，其数值即为物体单位温度单位时间通过单位面积的导热量［10－12］。

从图3可以看出，在中空玻璃微珠用量一定时，隔热材料的热导率随其粒径的增加而降低；中空玻璃微珠粒径相同时，隔热材料的热导率随其用量的增加均呈先下降后上升的趋势；中空玻璃微珠的壁厚及用量相同时，中空玻璃微珠的粒径越大，单个微珠的内部空腔就越大，但微珠的总数目就越少，使得填充大粒径中空玻璃微珠时，气体的分布特点是体积大而数目少，填充小粒径中空玻璃微珠时，气体的分布特点则是体积小而数目多，这使得填充小粒径中空玻璃微珠的隔热材料中有更多封闭的、不流动的气体。气体的热导率远低于中空玻璃微珠壁壳的热导率，使得所含小粒径中空玻璃微珠隔热材料对热传递具有较多的低传导区域，热阻较大，热导率也就较低。微珠粒径相同时中空玻璃微珠用量越大，低热导率的中空玻璃微珠的作用就越显著，材料对热流的阻隔效果就越好，热导率也随之降低。当中空玻璃微珠含量为15份时，隔热材料的热导率出现了最小值，之后热导率随着含量的增加呈现上升趋势，并且当含量为17.5份后将超过LSR基体的热导率。这是由于随着中空玻璃微珠用量的增加，使其不能均匀地分散在LSR中，中空玻璃微珠大量聚集，微珠薄壁与薄壁的接触使得隔热复合材料的热导率迅速上升而造成的。

图3 中空玻璃微珠粒径及含量对隔热材料热导率的影响Fig.3 Effect of particle diameter and contents of hollow glass beads on thermal conductivity of heat－insulation composites

3 结论

（1）填充中空玻璃微珠能够明显改善以LSR为基材的隔热材料的性能，小粒径中空玻璃微珠填充的材料的隔热性能优于大粒径中空玻璃微珠填充的材料；

（2）以平均粒径为40μm的中空玻璃微珠作隔热填料时材料的热导率降低幅度最大；

（3）随着中空玻璃微珠用量的增加，隔热材料的热导率呈先下降后上升的趋势，并在中空玻璃微珠含量为15份时达到最低0.0135W/m·K，比未填充中空玻璃微珠时降低了75.9%。

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Preparation and Properties of LSR Heat－insulation Composites
Filled with Hollow Glass Beads

WANG Huili1，2，DENG Jianguo2＊，SHU Yuanjie1，JI Lanxiang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.New Materials Research and Development Center，Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；）

Liquid silicon rubber acetate（LSR）filled with hollow glass beads was studied as a heatinsulation composite.The effect of hollow glass beads on the thermal conductivity and tensile strength was investigated.It indicated that as the content of hollow glass beads increased，the thermal conductivity of the composites first increased then declined.At the same loading of hollow glass beads，the thermal conductivity decreased with decreasing particle size.The composite filled with 15phr of hollow glass beads （diameter of 40μm）gave rise to the minimum thermal conductivity of 0.0135W/m·K.The tensile strength and elongation at break decreased with increasing loading of hollow glass beads and decreasing particle size of the hollow glass beads.

liquid silicon rubber acetate；hollow glass beads；heat－insulation material；thermal conductivity

TQ333.93

B

1001－9278（2011）12－0067－04

2011－08－19

四川省青年基金资助项目（0082342）

＊联系人，jg2001584＠sohu.com