空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的制备及隔热性能研究

陈金伟

（中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000）

空心玻璃微珠是中空的球状无机材料，由于其为中空结构，其具有质地轻、体积大、电阻率高及导热系数低的特点，并且由于外观是中空的球状，其又具有流动性强、抗压能力好的优点[1-2]。与此同时，空心玻璃微珠可以形成具有亲油、疏水性能优良的材料，可以充分分散在树脂等有机材料中加以利用。由于空心玻璃微珠质地轻、体积大及导热系数低的特点，其可以应用到复合材料的制备中，制备的优良复合材料具有减轻重量、保温绝缘、隔热隔音及防裂等优良性能，已被广泛应用于航空航天、输油输气管道保温等领域[3-4]。聚丙烯材料是近年来研究和开发比较多的热塑性树脂材料，在五大通用材料中，聚丙烯材料是最轻的、密度最小的材料，并且其化学稳定性好、电绝缘和力学性能也都比较优良，因此其应用范围也越来越广[5-6]。通过对空心玻璃微珠表面进行活化处理，然后填充在聚丙烯材料中，人们可以制备出空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料，该复合材料具有重量轻、保温隔热、绝缘防裂等优良的性能。

1 空心玻璃微珠的表面活化机理分析

空心玻璃微珠是表面带有亲水基团羟基的无机硅酸盐材料，人们可以利用硅烷偶联剂对其表面进行活化处理。通常来说，硅烷偶联剂是含有有机官能团和硅烷氧基的物质，有机官能团对于有机物质具有反应性或相容性，而硅烷氧基对无机物具有反应性[2]。因此，利用硅烷偶联剂来对空心玻璃微珠进行表面活化处理，可以改善空心玻璃微珠的吸油值和界面结合力，同时利用硅烷偶联剂来对空心玻璃微珠进行表面活化处理，可以改善和扩大空心玻璃微珠的应用范围。空心玻璃微珠的表面活化机理和流程如图1所示。

图1 空心玻璃微珠的表面活化机流程

2 空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的制备研究

2.1 空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的制备工艺分析

现将利用硅烷偶联剂活化处理过的空心玻璃微珠和聚丙烯，采用共混工艺进行改性造粒来制备空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料，然后采用注塑工艺制备标准样条。简单来说，空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的制备工艺就是“共混与注塑”制备工艺。其具体的制备过程为，首先利用硅烷偶联剂对空心玻璃微珠进行表面的活化改性，然后将活化后的空心玻璃微珠与聚丙烯材料按照2:1的比例准备，用双螺杆挤出机挤出高浓度的混合料，空心玻璃微珠采用侧喂料计量加入，然后造成颗粒，将制备出的高含量的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料颗粒与聚丙烯材料进行不同比例的混合，在加热温度210℃左右进行高速搅拌，搅拌转速控制在100 r/min，利用螺杆挤出机挤出混合料，用注塑机在保证料筒温度210℃、模具温度45℃、注射压力70 MPa的条件下制成标准样条。空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料制备试样的工艺流程如图2所示。

图2 空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的表征

空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料制样完成后，可以利用红外光谱仪对其复合材料的结构进行测定，利用扫描电镜和高倍显微镜进行复合材料微观结构的表征和分析。通过高倍显微镜，人们可以观察出空心玻璃微珠在利用硅烷偶联剂进行表面活化前后的微观结构变化，利用红外光谱仪对空心玻璃微珠表面活化前后的分子结构进行表征，表面活化前没有明显的羟基峰或其他基团的峰。利用硅烷偶联剂进行表面活化的空心玻璃微珠的红外光谱图在波数781.65 cm-1、1013.58 cm-1和3431.80 cm-1处的特征吸收峰发生了蓝移，而1563.3 cm-1为N-H弯曲振动，3431.80cm-1为N-H伸缩振动，说明空心玻璃微珠在硅烷偶联剂的作用下已经发生表面的活化改性。

另外，通过扫描电镜，人们可以对空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的微观结构进行观察和表征，并以未表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料作为对照，观察表面活化后的空心玻璃微珠与聚丙烯材料进行注塑工艺制备的复合材料的微观结构差异。空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的扫描电镜图如图3所示。

图3 空心玻璃微珠SEM照片

与此同时，可以对采用“共混与注塑”工艺制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料进行性能分析，如力学性能（复合材料的拉伸强度变化情况、弯曲强度变化情况及冲击强度的变化情况等）和流变性能。其中，流变性能的测试，如制备的未表面活化和表面活化的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的熔体粘黏度的变化等，都能对经过“共混与注塑”工艺制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料进行相关的表征和分析。

2.2 空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的隔热性能分析

通过制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的维卡软化点测试来对空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的隔热性能进行针对性的研究和分析，试验分析研究可知，当利用硅烷偶联剂进行表面活化的空心玻璃微珠作为填料用于制备聚丙烯复合材料时，经过表面活化的空心玻璃微珠能够降低聚丙烯材料的导热系数，从而保证制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的隔热性能优良，并且可以根据不同材料理化性能的需求来对表面活化的空心玻璃微珠进行不同比例的填充，以达到所需的隔热性能要求，同时在一定程度上降低聚丙烯复合材料的制备成本。

表1 空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的导热系数的测定

通过设计试验表面活化的空心玻璃微珠与聚丙烯材料的不同配比，具体分析制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的导热系数的变化情况，如表1所示。从表1可以看出，填充表面活化的空心玻璃微珠的聚丙烯复合材料的导热系数要比纯的聚丙烯材料有所降低，并且在一定的比例范围内，制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的导热系数随着微珠体积分数的增加呈下降趋势，两者大致呈线性函数关系，从而说明利用表面活化的空心玻璃微珠作为填充制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的隔热性能更加优良。

3 结语

空心玻璃微珠作为无机非金属材料，其具有质地轻、体积大、绝缘绝热性能好和抗压能力强等特点，在涂料行业、航空航天等领域都有着极其广泛的应用前景和价值。通过利用硅烷偶联剂对高性能空心玻璃微珠的表面进行活化处理，然后作为填充材料与质地一样轻、化学性能稳定的聚丙烯材料进行复合，制备出隔热性能优良的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料，采用“共混与注塑”工艺进行空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的制备，并且利用红外光谱仪、扫描电镜、高倍显微镜等对其微观结构和分子结构进行表征，然后通过制备的空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料的导热系数测定来对其隔热性能进行系统研究，以实现空心玻璃微珠/聚丙烯复合材料更广范围的应用。