膨胀玻化微珠/热固性树脂轻质复合材料研究

蔡静平，王罗新*，吴 静，刘伟华，罗淑湘

(1 武汉纺织大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2 山东创智新材料科技有限公司，山东 潍坊 261100；3 北京市建筑技术发展有限公司，北京 100038)

膨胀玻化微珠(EVB)[1]是一种新型无机玻璃质矿物材料，经破碎、筛分、高温瞬时燃烧膨胀玻化而成的内部多孔﹑表面玻化封闭的球状体颗粒。与其他固体材料相比较，膨胀玻化微珠具有较小的密度、较大的比表面积和较好的分散性，近年来将其作为轻质骨料应用于轻质砂浆和抹灰材料得到了广泛的研究[2-4]。其所特有的轻质环保、节能保温的性能使其成为继粉煤灰[5]、膨胀珍珠岩[6]、聚苯颗粒[7,8]等诸多传统轻质绝热材料之后的一种新型无机轻质绝热材料，采用膨胀玻化微珠作为骨料可以弥补膨胀珍珠岩的易粉化和聚苯颗粒的易燃的不足，因此膨胀玻化微珠越来越广泛的应用于建筑保温隔热材料。

然而，膨胀玻化微珠也具有轻质骨料的缺陷—低抗压强度，导致其在使用中吸水率增大，保温性能降低，为弥补膨胀玻化微珠在使用中吸水率增大的问题，孟庆林等[9]采用有机硅憎水剂对玻化微珠进行了表面处理，显著降低了其吸水率。在颗粒改性方面，本课题从增强着手，采用热固性脲醛树脂(UF)[10]作为改性剂，增大膨胀玻化微珠自身强度的同时减小其吸水率，从而减小其在使用过程中的吸水率，保持了其优异的保温性能。在复合板材方面，本课题采用耐火材料用热固性酚醛树脂(PF)[11]作为胶黏剂，开发出一种具有阻燃防火用，耐压性能和保温性能优异的复合板材。

1 实验部分

1.1 实验材料

膨胀玻化微珠：粒径60-80目，用于膨胀玻化微珠的改性；粒径 20-40目，用于复合板材的制备，山东创智新材料科技有限公司，膨胀玻化微珠的表观形貌见图1，化学成分分析见表1；酚醛树脂：工业级，武汉力发化工有限责任公司；无水乙醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；脲醛树脂，市售；氯化铵：国药集团化学试剂有限公司，AR。

表1 膨胀玻化微珠的化学成分分析

图1 膨胀玻化微珠表观形貌

图2 脲醛树脂的量对玻化微珠筒压强度的影响

1.2 改性膨胀玻化微珠的制备

将膨胀玻化微珠置于105℃的温度下干燥两小时，取25g氯化铵固体，配制成浓度为1%的氯化铵水溶液。取脲醛树脂和适量氯化铵溶液搅拌均匀，将其混合均匀后涂覆在膨胀玻化微珠的表面，将表面包覆有增强液的膨胀玻化微珠在常温下固化，固化后将其置于110℃温度的条件下干燥2小时，得到具有脲醛树脂表面包覆增强层的膨胀玻化微珠，试验中所采用的脲醛树脂与膨胀玻化微珠的质量百分比为0%、20%、40%、60%、80%、100%、120%、140%、160%、180%，试验中所用的氯化铵用量为脲醛树脂质量的2%。

1.3 复合板材的制备

将膨胀玻化微珠置于 105℃的温度下干燥两小时，取一定量的无水乙醇稀释酚醛树脂，将酚醛树脂与膨胀玻化微珠混合均匀，按照1:1.2的压缩比置于钢质模具内并压实抚平，置于烘箱内在160℃的温度条件下固化成型，固化时间与板材的厚度相关。所采用的模具大小为 70mm×70mm×70mm与 160mm×40mm×40mm两种，前者固化时间为3h，后者的固化时间为5h。

1.4 测试方法

按照JC/T1042-2007玻化微珠的标准要求，测量膨胀玻化微珠颗粒的体积吸水率和筒压强度，筒压强度采用微机控制电子式万能实验机（济南联工测试技术有限公司WDW-20E型万能试验机）测试；采用导热系数测定仪HC-074-200测量膨胀玻化微珠和复合板材的导热系数。采用微机控制电子式万能实验机测定样块（试样尺寸为 70mm×70mm×70mm）的压缩强度；采用简支梁摆锤冲击强度试验机测定样块（试样尺寸为160mm×40mm×40mm）的冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 膨胀玻化微珠的表面改性

2.1.1 脲醛树脂量对膨胀玻化微珠筒压强度的影响

图2为脲醛树脂量与改性膨胀玻化微珠筒压强度的关系曲线。由图2可知，改性后膨胀玻化微珠的筒压强度有显著的提高，并且随着脲醛树脂含量的增加而增大。改性前，由于所使用的膨胀玻化微珠粒径较小，其筒压强度为182.08Kpa，当所使用的脲醛树脂量为膨胀玻化微珠质量的20%时，其筒压强度达到了360.67 Kpa，急剧增大为原样的2倍，脲醛树脂的增强效果非常明显。

2.1.2 脲醛树脂对膨胀玻化微珠密度的影响

表2为脲醛树脂用量与改性膨胀玻化微珠堆积密度关系图表。从表2可以看出随着脲醛树脂相对用量的增加，改性膨胀玻化微珠的堆积密度也随之增加。膨胀玻化微珠的主要成分是二氧化硅，壁薄中空，密度很小，而改性后表面脲醛树脂层的相对密度远远大于膨胀玻化微珠自身的密度，这是导致其增大的主要原因，当脲醛树脂用量为膨胀玻化微珠质量的100%时，改性后膨胀玻化微珠的堆积密度为117.72 Kg/m3，相对于改性前增大了60.64%，同时仍然具有轻质的优异性能，但此时强度提高了将近3倍，吸水率也减小了约10个百分点。

表2 脲醛树脂用量对膨胀玻化微珠堆积密度的影响

2.1.3 脲醛树脂量对膨胀玻化微珠吸水性能的影响

图3所示为脲醛树脂的量与改性膨胀玻化微珠体积吸水率的关系曲线，从图3中可以看出，改性后膨胀玻化微珠的吸水率下降幅度很大，而随着脲醛树脂用量的变化其体积吸水率的变化幅度较小。当脲醛树脂用量仅为膨胀玻化微珠质量的 20%时，膨胀玻化微珠的体积吸水率从原来的 29.97%降至改性后的20.66%。改性后膨胀玻化微珠的体积吸水率相比于原样降低了27.71%。

脲醛树脂固化后，在膨胀玻化微珠的表面形成了一层兼具增强和疏水特性的树脂层，该树脂层同时也增大了膨胀玻化微珠与水分子之间的接触角，封闭了膨胀玻化微珠表面存在的微孔结构，从而达到了降低其吸水率的目的。一般对于保温材料来讲，其体积吸水率越低，保温效果也越好，这对于提高膨胀玻化微珠使用中的保温性能具有很大的积极作用。

图3 脲醛树脂量对玻化微珠吸水率的影响

图4 脲醛树脂量对玻化微珠导热系数的影响

2.1.4 脲醛树脂量对膨胀玻化微珠导热系数的影响

图4为脲醛树脂量与膨胀玻化微珠导热系数的关系曲线。可以看出，膨胀玻化微珠的导热系数整体呈现略有上升的趋势，但变化幅度不大。改性后，其导热系数在0.0388～0.04585 W/(m·K) 之间，根据JC/T 1042-2007的要求，按照导热系数分类，改性后膨胀玻化微珠属于Ⅰ类和Ⅱ类，符合标准的要求，同时，其导热系数也在国家规定的保温材料的要求之内。在三种温度条件下，改性后的膨胀玻化微珠相对于原样的变化范围在-4% - 13%之间。改性后膨胀玻化微珠的导热系数略有增大可能是由于改性后小粒径的膨胀玻化微珠粒径变大，颗粒间空隙增大，空气对流量增加导致。然而改性膨胀玻化微珠的强度增加，破碎率和吸水率大幅降低，在后期应用的过程中，这对于其保温性能的提高具有很大的积极作用。

2.2 酚醛树脂/膨胀玻化微珠二元复合板材

为进一步扩宽膨胀玻化微珠的应用范围，课题组采用耐火材料用酚醛树脂作为粘结剂，制备了酚醛树脂/膨胀玻化微珠二元复合板材。在前期工作中，课题组已采用热固性酚醛树脂对膨胀玻化微珠进行了改性研究，酚醛树脂可以提高膨胀玻化微珠的综合性能。同时，酚醛树脂具有优异的防火耐热和保温疏水的性能，采用酚醛树脂做为粘结剂所制备的复合板材同时具有轻质、防火耐热和保温效果良好的优异性能。

表3显示了酚醛树脂使用量对复合板材堆积密度、抗压强度和冲击强度的影响。从表中可以看出，所制备的二元复合板材密度均在200Kg/m3以下，属于国家对于轻质板材的规定范围。复合板材的压缩强度和冲击强度均随着酚醛树脂用量的增加而增加，复合板材具有一定的耐压能力和耐冲击能力，能够作为非支撑材料使用，同时从表3中可以看出，该二元复合板材的导热系数仅为0.045 W/(m·K)左右，具有非常优异的保温性能，可广泛作为墙体保温材料用，同时该板材具有不燃不融的优异性能，具有非常好的耐火作用。

表3 酚醛树脂用量对复合板材性能的影响

3 结论

（1）采用热固性脲醛树脂对膨胀玻化微珠进行表面包覆改性得到了改性膨胀玻化微珠。结果表明，改性后的膨胀玻化微珠的吸水率明显降低，最大下降了10.6个百分点；当脲醛树脂和玻化微珠的质量百分比为20%时，其筒压强度增大为原样的1.98倍，而此时，其堆积密度仅为原样的1.27倍；改性后的导热系数变化不大。综合以上性能可以说明，改性玻化微珠表现出更加优异的性能，使得膨胀玻化微珠的使用更加方便，改善了其后期产品加工和运输条件，同时也提高后期产品的保温性能。

（2）采用热固性酚醛树脂作为胶黏剂制备了酚醛树脂/膨胀玻化微珠二元复合板材，结果表明：该二元复合板材的体积密度低于200Kg/m3，导热系数低于0.050W/(m·K)，具有一定的压缩强度和冲击强度。该复合板材的模具成型法制备过程简单，板材具有耐火阻燃，保温效果优异，以及一定的隔音效果和防水效果，是一种高效节能复合保温板材。

[1]刘伟华，罗淑湘. 新型无机轻质绝缘材料——膨胀玻化微珠及其应用[J]. 中国建材，2007, (3): 88-89.

[2]张泽平，樊丽军，李珠, 等. 玻化微珠保温混凝土初探[J]. 原材料及辅助物料，2007, (11): 46-48.

[3]李珠，穆启华，秦尚松. 玻化微珠保温系统研究[J]. 山西建筑，2006, (24): 1-3.

[4]张泽平，董彦莉，李珠. 玻化微珠保温混凝土试验研究[J]. 建筑工程，2007, (2): 73-74.

[5]卢小丽，骆颖，商华，等. 粉煤灰资源化及其管理研究[J]. 节能利废，2004, (6): 43-45.

[6]张杰. 水泥膨胀珍珠岩隔热保温防水板的研制[J]. 保温材料与建筑节能，1999, (6): 19.

[7]张艳，邹海江，龚希武. 聚苯颗粒砂浆保温效果研究[J]. 节能技术，2010, (04): 307-309.

[8]薛锦荣. 聚苯颗粒在建筑外墙施工中的应用[J]. 建筑科学，2010, (22): 88.

[9]孟庆林，李秀辉，李宁, 等. 玻化微珠改性试验研究[J]. 热带建筑，2007, (06): 1-4.

[10]李东光. 脲醛树脂胶黏剂[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[11]唐路林，李乃宁，吴培熙. 高性能酚醛树脂及其应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2007.