空心玻璃微珠增强泡沫材料的研究和应用进展

空心玻璃微珠增强泡沫材料的研究和应用进展

路瑶;林佩洁;赵华蕾;王燕萍;王依民

【摘要】空心玻璃微珠是一种新型无机填料，经表面改性后，与发泡基体复合，制备新型复合泡沫材料。同传统发泡材料相比，该复合材料质轻且机械性能优异，在航天航空以及深海开发等领域，特别是制备浮力材料方面，应用前景广阔。文章综述了空心玻璃微珠表面改性方式、空心玻璃微珠/发泡体复合材料的发泡方法和成型工艺，在此基础上对近年来国内外研究和应用现状进行了介绍。%Hollow glass beads (HGB) are a new type of inorganic filler.Together with resin matrix,they are a-ble to produce novel compsite foams after surface modification .Compared to ordinary foams , the composites have light weight and excellent mechanical properties .The outstanding properties of HGB filled foams lead to wide usage in the fields of aerospace and deep sea development ,especially in preparing buoyancy materials .The ways to modify HGB,methods of foaming and molding process are reviewed in this article ,and what is more ,the research and appli-cation progress accomplished recently at home and abroad are introduced as well .

【期刊名称】《合成技术及应用》

【年(卷),期】2013(000)002

【总页数】6页(P18-23)

【关键词】空心玻璃微珠;泡沫材料;表面改性;无机填料

【作者】路瑶;林佩洁;赵华蕾;王燕萍;王依民

【作者单位】东华大学材料科学与工程学院，上海 201620;东华大学材料科学与

工程学院，上海 201620;东华大学材料科学与工程学院，上海 201620;东华大学

材料科学与工程学院，上海 201620;东华大学材料科学与工程学院，上海 201620; 东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620

【正文语种】中文

【中图分类】TU532.6;TQ328

泡沫塑料是一种以树脂为主体，内部含有许多微小泡孔的塑料制品。与纯塑料相比，它有许多优异的性能，如质轻、比强度高、吸收冲击载荷能力强、隔热和隔音性能好等，作为轻质结构材料在许多领域都有应用［1］，如日常生活中的床垫、电视机和电冰箱等的减震包装、房屋的保温隔热材料以及汽车、飞机的隔热、隔音板等；同时，还可用于制作雷达罩、吸能材料以及某些在火箭、人造卫星上用的耐高温材料。泡沫塑料发展迅速，目前已有聚氨酯泡沫、环氧泡沫、聚苯乙烯泡沫和聚丙烯泡沫等产品［2］。虽然泡沫塑料的研究时间较长，但由于发泡会导致材料力学性能下降，因此需要进行进一步增强，使其能够应用于更多领域。

玻璃微珠（hollow glass beads，HGB）是近年发展起来的一种用途广泛、性能

优异的新型轻质无机非金属材料，其主要成分是硼硅酸盐（如表1所示），粒度

为10～250μm、壁厚为1～2μm的空心球体［3］。其具有质轻、化学性能稳定和热稳定性好、隔音和电绝缘性高等优点。同其他无机填料（如无机氧化物、纳米碳酸钙等）相比，玻璃微珠作为一种填充材料的独到之处在于它为圆球型且表面光滑，并具有理想填料的孔隙率低、珠体吸收树脂少等诸多优点，即使填充量较高，对基体的粘度和流动性影响也很小，不存在像加入不规则形状或带有棱角的粒料形成应力集中、从而降低复合材料力学性能的现象［4］。使用玻璃微珠增强泡沫材料，可以降低产品密度，改善材料的吸湿性，提高其抗压强度和冲击强度等，使制

品应用面更宽。

HGB为无机物填料，与有机高聚物的相容性较差。若未经处理直接添加到聚合物中，两相之间相互作用力弱，界面结合作用小，不但不能提升材料的机械性能，反而有可能形成应力集中点，大大削弱材料性能［5］。因此，在用于增强泡沫塑料之前，需要对填料进行表面改性，以改善其表面的物理化学特性，增强其与聚合物的相容性和在聚合物中的分散性，提高材料的机械强度及综合性能［6］。

目前用于空心玻璃微珠表面改性的方法主要有偶联剂改性、表面活性剂处理和等离子体表面处理三类。

1.1 偶联剂改性

偶联剂改性是HGB最常用的表面处理方法。经适当偶联剂处理后，玻璃微珠表面的物理和化学性能发生改变。其通过物理缠绕、氢键或化学键的方式改善HGB与高聚物基材之间的界面相互作用，提高复合材料的性能［7］。目前使用最多的偶联剂是硅烷偶联剂、钛酸酯和铝酸酯偶联剂，其中又以硅烷偶联剂用量最大，品种最多。图1为硅烷偶联剂KH550与HGB共价连接反应的过程图，硅烷偶联剂中的硅氧键在适当条件下水解成硅醇键，并且硅羟基之间以及硅羟基与HGB表面的硅羟基之间形成氢键，再进一步通过脱水缩合作用形成共价键，从而完成对HGB 的表面改性。图2为用KH550对HGB进行改性前后的SEM图［8］。从图2中可以看出，改性后的空心玻璃微珠表面均匀包覆着KH550，改性效果较好。Nakamura［9］以及Miller［10］等人对HGB填充环氧树脂的复合材料进行研究，结果显示微珠表面的偶联剂处理可以明显改善界面的粘结效果，提升材料的机械性能。

1.2 表面活性剂处理

表面活性剂有阴离子型、阳离子型和非离子型，其作用机理与偶联剂相似，利用两亲性基团分别与高聚物和空心玻璃微珠发生物理吸附或化学反应，增强了两相间的