空心玻璃微珠主要成分為硼硅酸鹽,屬于非晶體材料,外觀為白色粉末,是一種微米尺寸的、表面光滑的空心玻璃球體。其粒徑分布為5~100μm,真密度為0.12~0.70g/cm3,堆積密度為0.10~0.40g/cm3,熱導率為0.038~0.060W/(m·K),最高耐壓強度約為207MPa(30000psi)。
空心玻璃微珠是近些年發展起來的一種微米級的、空心結構的玻璃球體,由于其獨特的結構,并加以對其進行表面改性,使其在石油鉆井、工程塑料、建筑節能涂料、工業防腐涂料、膠黏劑、橡膠材料、乳化炸藥和電磁屏蔽等領域有著廣泛的應用。
1、空心玻璃微珠表面化學接枝
空心玻璃微珠作為一種無機粉體填料,與高分子材料混合時,存在界面相容性問題??招牟A⒅榕c有機材料的界面粘接強度不夠,而空心玻璃微珠與高分子材料的界面作用是控制復合材料力學性能的關鍵因素,在受到外力作用時,如果高分子材料不能將空心玻璃微珠充分的固定,會造成復合材料的缺陷,導致材料拉伸強度以及沖擊強度下降。如果使用表面處理劑對空心玻璃微珠進行表面化學接枝,提高空心玻璃微珠與高分子材料的界面結合強度,可使高分子材料力學性能得到有效改善。而空心玻璃微珠表面含有大量的硅羥基,可用硅烷偶聯劑等對其進行表面改性。
曹會蘭等使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)分別對空心玻璃微珠進行了表面改性。結果表明:空心玻璃微珠的表面成功接枝了KH550、KH560和KH570;KH550和KH560改性的空心玻璃微珠會參與到環氧樹脂的固化反應中;KH570改性的空心玻璃微珠有助于提高環氧樹脂的熱穩定性;經過表面改性的空心玻璃微珠都有助于提高其環氧樹脂的復合材料的力學性能,當空心玻璃微珠質量分數為5%時,復合材料的壓縮強度和彎曲強度分別提高了21.7%和17%。
張成森等使用KH550和鈦酸酯偶聯劑(TC-F)對空心玻璃微珠進行表面改性,確定了KH550和TC-F改性時的最佳用量分別為1.0%(質量分數,下同)和0.8%,在雙馬來酰亞胺樹脂中添加25%的改性空心玻璃微珠,可使樹脂壓縮強度提高約10%;在雙馬來酰亞胺樹脂中添加40%的改性空心玻璃微珠,樹脂的馬丁耐熱溫度提高了約21℃。此外,兩種偶聯劑中,KH550改性的空心玻璃微珠性能要好于TC-F改性的空心玻璃微珠。
彭麗芬等使用γ-脲丙基三乙氧基硅烷(KH591)對空心玻璃微珠進行改性,改性后的空心玻璃微珠由“親水疏油”轉變為“親油疏水”,與有機高分子的相容性提高,其環氧樹脂的拉伸強度雖基本保持不變,但壓縮強度提高了約10%。
龍宇飛等分別使用KH550、KH560、KH570和KH591對空心玻璃微珠進行表面改性,并用于制備環氧樹脂固體浮力材料,使得所得材料吸水率顯著降低;其中,KH591改性空心玻璃微珠的效果最好,其填充制備的固體浮力材料的吸水率僅有0.35%,低于純環氧樹脂的平均吸水率;同時壓縮強度為62.15MPa,相比未改性空心玻璃微珠制備的固體浮力材料提升47.6%。
2、空心玻璃微珠表面包覆和化學鍍
空心玻璃微珠作為一種低密度、高填充比的輕質材料,在反射隔熱涂料、導電材料、電磁屏蔽材料等領域有著廣闊的應用空間,但由于其表面反射率不足、導電性較差,限制了其在上述領域的應用。能滿足較高反射比的二氧化鈦以及導電性較好的納米銀粉、氧化石墨烯和碳納米管等材料工藝成本和材料成本較高,因此空心玻璃微珠表面包覆和化學鍍技術應運而生。空心玻璃微珠的表面包覆和化學鍍一方面既能提高材料填充率,實現材料輕量化,又能滿足材料反射隔熱、高導電率以及電磁屏蔽等要求。
李小玉等基于核殼結構的設計原理,采用溶膠-凝膠法制備出二氧化鈦包覆的空心玻璃微珠,并制備成反射隔熱涂料,進行了隔熱效果評估。當空心玻璃微珠質量分數為4%,涂層厚度為400μm時,試樣板內外溫差可達15℃。
李文丹等利用沉淀法在空心玻璃微珠上包覆了二氧化鈦,探究了下料溫度和pH值對二氧化鈦包覆空心玻璃微珠反射率的影響,結果表明:下料溫度55℃,pH值為7時,制備的二氧化鈦包覆的空心玻璃微珠反射率最高,達到96.27%,使空心玻璃微珠在反射隔熱涂料中擁有最佳的反射隔熱效果。
朱雁風等利用多巴胺活化技術在空心玻璃微珠表面進行化學鍍銀,此法所用銀液中銀的利用率達到71.5%,空心玻璃微珠表面鍍銀均勻致密,鍍銀后空心玻璃微珠導電性良好,體積電阻率達34mΩ·cm。
周瑞華等先利用粗化液(98%濃硫酸60ml/L+K2Cr2O730g/L)、敏化液(SnCl·2H2O20g/L+37%鹽酸10ml/L)和活化液(PdCl20.1g/L+37%鹽酸1.0ml/L)依次對空心玻璃微珠進行處理,然后在AgNO3(10g/L),NH·3H2O(60mL/L),HCHO(100mL/L),溫度30℃,時間40min的工藝條件下進行鍍銀,制得表面鍍膜致密的空心玻璃微珠,它具有優異的導電性能,體積電阻率為2.85×10-4Ω·cm,鍍銀后空心玻璃微珠的添加量僅需4.76%(質量分數)即能使柔性膜體積電阻率達2.33×10-3Ω·cm。
資料來源:《馬玉民;蔡耀武;張勇;陸瑜翀;李瑤;王建斌.空心玻璃微珠的研究進展和應用現狀[J].有機硅材料,2023,37(04):75-80》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
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