液體硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料的制備及性能研究

王慧利，鄧建國，舒遠(yuǎn)杰，紀(jì)蘭香

（1.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽621010；2.中國工程物理研究院化工材料研究所新材料研發(fā)中心，四川 綿陽621900）

液體硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料的制備及性能研究

王慧利1，2，鄧建國2＊，舒遠(yuǎn)杰1，紀(jì)蘭香2

（1.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽621010；2.中國工程物理研究院化工材料研究所新材料研發(fā)中心，四川 綿陽621900）

以液體硅橡膠（LSR）為基材、中空玻璃微珠為填料，通過共混法制備了隔熱材料，探討了不同含量、不同粒徑中空玻璃微珠對(duì)材料熱導(dǎo)率、力學(xué)性能及填料分散性的影響。結(jié)果表明，材料的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率隨中空玻璃微球用量的增加而降低，粒徑越大降幅越大；中空玻璃微珠的粒徑越小，其在LSR基材中的分散性越好；材料的熱導(dǎo)率隨中空玻璃微珠用量的增加呈先下降后上升趨勢(shì)，且填充同樣含量的中空玻璃微珠，粒徑越小，材料的熱導(dǎo)率降低幅度越大；加入15份平均粒徑為40μm的中空玻璃微珠，材料的熱導(dǎo)率最低為0.0135W/m·K。

液體硅橡膠；中空玻璃微珠；隔熱材料；熱導(dǎo)率

0 前言

目前，我國建筑、航天已成為社會(huì)兩大主要耗能領(lǐng)域，建筑節(jié)能最直接有效的方法是使用保溫隔熱材料［1］。夾層玻璃以其優(yōu)異的安全、隔音、隔熱、抗紫外線等特性被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)。目前，玻璃夾層中間膜的主要材料聚乙烯醇縮丁醛樹脂（PVB）市場(chǎng)基本被美國、日本壟斷［2］，價(jià)格昂貴，制約了我國建筑夾層玻璃的發(fā)展。近年來，硅橡膠以其優(yōu)異的性能，如耐高、低溫、耐高壓、耐臭氧老化性等，被廣泛應(yīng)用于玻璃夾層中間膜。使夾層玻璃中間膜不僅能起到安全玻璃的作用，還可通過對(duì)夾膠材料的隔熱、隔音改性而制得具有隔熱、隔音等功能性的夾層玻璃中間膜。另外，隨著航空、宇航、電子電氣等高科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)隔熱材料提出了更為苛刻的要求，在滿足低導(dǎo)熱性的同時(shí)希望隔熱材料具有優(yōu)良的綜合性能，即隔熱的同時(shí)能夠起到絕緣和減震作用，為了滿足以上需要，科研人員已經(jīng)對(duì)這一領(lǐng)域開展了深入研究，并取得了一定的成績(jī)。

在中空二氧化硅、中空纖維和中空玻璃微珠等中空填料中，中空玻璃微珠以其原料豐富、制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，在隔熱隔音水泥、隔熱隔音涂料［3－4］等領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。中空玻璃微珠是一種無機(jī)非金屬材料，具有質(zhì)量輕、體積大、熱導(dǎo)率低、抗壓強(qiáng)度高、分散性好、流動(dòng)性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低吸油、絕緣、自潤滑、隔音、無毒等一些普通材料不具備的優(yōu)異性能。國外從20世紀(jì)70年代開始將其作為一種新型填充材料，在復(fù)合材料、石油化工、航天航空、涂料等領(lǐng)域開展應(yīng)用研究［5－8］。近年來，國內(nèi)也對(duì)該材料進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用。

本研究以中空玻璃微珠為主要填料、LSR為基體制備了低熱導(dǎo)率的輕質(zhì)多孔隔熱復(fù)合材料，分析了中空玻璃微珠含量及粒徑大小對(duì)材料隔熱性能、力學(xué)性能、分散情況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

LSR，TCS－110，廣州天賜有機(jī)硅科技有限公司；

γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，KH570，成都市科龍化工試劑廠；

正硅酸乙酯（TEOS），化學(xué)純，北京化工廠；

二月桂酸二丁基錫（DBTDL），分析純，成都市科龍化工試劑廠；

中空玻璃微珠，性能參數(shù)如表1所示，秦皇島秦皇空心玻璃微珠公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

材料試驗(yàn)機(jī)，Instron－5582SP1376，英斯特朗公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG－9123，山海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

真空干燥箱，DZF－6050，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

表1 中空玻璃微珠的性能參數(shù)Tab.1 The property parameters of hollow glass beads

掃描電子顯微鏡（SEM），Apollo 300，英國Cam Scan公司；

絕熱材料（平板）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，DRX－I－PC，湘潭華豐儀器制造有限公司；

高功率超聲洗滌器，KQ－400KDB，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 樣品制備

中空玻璃微珠表面處理：將中空玻璃微珠先用0.1mol/L的稀鹽酸洗滌，再用水沖洗后140℃干燥3h。將偶聯(lián)劑添加到乙醇中配制成5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的溶液，并按一定比例加到干燥過的中空玻璃微珠中，超聲1h后在烘箱中80℃烘干4h；

隔熱材料制備：按每100份LSR中分別添加0、5、10、12.5、15、17.5、20份3種牌號(hào)的中空玻璃微珠，將處理好的填料分次加入計(jì)量好的LSR中，充分?jǐn)嚢枋固盍暇鶆蚍稚?。之后加入交?lián)劑TEOS、催化劑DBTDL，混合均勻后將膠料放入真空箱內(nèi)抽真空，待內(nèi)部氣泡排盡后注入模具，100℃硫化30min取出，制成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率按GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為500mm/min，測(cè)試溫度為23℃；

SEM分析：將樣品截取截面鍍金，測(cè)試電壓為5.00kV，放大倍率為500倍，觀察中空玻璃微珠在LSR中的分散性情況；

熱導(dǎo)率測(cè)定：用模具制出厚度為11mm、邊長為300mm的方形固化樣品，護(hù)熱溫度為40℃，測(cè)試時(shí)間為3h，測(cè)試溫度為25℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱材料的力學(xué)性能

從圖1可以看出，分別填充3種玻璃微珠的隔熱材料的拉伸強(qiáng)度隨中空玻璃微珠用量的增加而降低；在相同含量下，隔熱材料的拉伸強(qiáng)度隨玻璃微珠粒徑的增大而降低。這主要是因?yàn)橐肭蛐挝⒅?，相?dāng)于破壞了LSR基體內(nèi)部的均一性，從而引起隔熱材料力學(xué)性能下降［9］。另外玻璃微珠的表面修飾改性不完善，使微珠表面與LSR界面作用力小，未起到有效的增強(qiáng)作用，因而隨著粒徑的增加，微珠的表面積增加，相當(dāng)于材料中缺陷增大，從而造成隔熱材料拉伸強(qiáng)度減小。在加入少量粒徑較小的中空玻璃微珠A時(shí)，對(duì)隔熱材料的拉伸強(qiáng)度影響相對(duì)較小。

從圖1（b）可以看出，隔熱材料的斷裂伸長率隨著中空玻璃微珠含量的增加呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，由于加入的中空玻璃微珠密度較低，壁殼結(jié)構(gòu)疏松，其自身強(qiáng)度比較低，破壞了LSR原有的結(jié)構(gòu)，使隔熱材料的斷裂伸長率較LSR低。當(dāng)中空玻璃微珠A含量為12.5份時(shí)，隔熱材料的熱導(dǎo)率在下降的過程中出現(xiàn)一個(gè)峰值，填充中空玻璃微珠B和C的隔熱材料15份時(shí)分別出現(xiàn)了2個(gè)峰值，但相比較，中空玻璃微珠A作為填料時(shí)隔熱材料的斷裂伸長率更大些。

圖1 不同粒徑中空玻璃微珠的含量對(duì)隔熱材料力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of contents of hollow glass beads with different particle diameter on mechanical properties of heat－insulation composites

2.2 隔熱材料的SEM分析

圖2是反映不同粒徑中空玻璃微珠用量為15份時(shí)，隔熱材料的SEM照片。由圖2可以看出，隨著中空玻璃微珠粒徑的增大，其在LSR基體中的分散性變差，堆積現(xiàn)象明顯，不利于降低熱導(dǎo)率。中空玻璃微珠A作為填料時(shí)，材料橫截面的玻璃微珠分布相對(duì)均勻，堆積現(xiàn)像不明顯，LRS基本可以阻隔微珠與微珠之間的接觸，從而降低隔熱材料的熱導(dǎo)率，達(dá)到真正的節(jié)能降耗。

圖2 不同粒徑中空玻璃微珠填充的隔熱材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs for heat－insulation composites with different particle diameter of hollow glass beads

2.3 隔熱材料的導(dǎo)熱性能

熱導(dǎo)率是隔熱材料的一個(gè)重要參數(shù)，表示在能量傳遞過程中熱量從溫度高的部分傳遞到溫度低的部分的數(shù)量，其數(shù)值即為物體單位溫度單位時(shí)間通過單位面積的導(dǎo)熱量［10－12］。

從圖3可以看出，在中空玻璃微珠用量一定時(shí)，隔熱材料的熱導(dǎo)率隨其粒徑的增加而降低；中空玻璃微珠粒徑相同時(shí)，隔熱材料的熱導(dǎo)率隨其用量的增加均呈先下降后上升的趨勢(shì)；中空玻璃微珠的壁厚及用量相同時(shí)，中空玻璃微珠的粒徑越大，單個(gè)微珠的內(nèi)部空腔就越大，但微珠的總數(shù)目就越少，使得填充大粒徑中空玻璃微珠時(shí)，氣體的分布特點(diǎn)是體積大而數(shù)目少，填充小粒徑中空玻璃微珠時(shí)，氣體的分布特點(diǎn)則是體積小而數(shù)目多，這使得填充小粒徑中空玻璃微珠的隔熱材料中有更多封閉的、不流動(dòng)的氣體。氣體的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于中空玻璃微珠壁殼的熱導(dǎo)率，使得所含小粒徑中空玻璃微珠隔熱材料對(duì)熱傳遞具有較多的低傳導(dǎo)區(qū)域，熱阻較大，熱導(dǎo)率也就較低。微珠粒徑相同時(shí)中空玻璃微珠用量越大，低熱導(dǎo)率的中空玻璃微珠的作用就越顯著，材料對(duì)熱流的阻隔效果就越好，熱導(dǎo)率也隨之降低。當(dāng)中空玻璃微珠含量為15份時(shí)，隔熱材料的熱導(dǎo)率出現(xiàn)了最小值，之后熱導(dǎo)率隨著含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且當(dāng)含量為17.5份后將超過LSR基體的熱導(dǎo)率。這是由于隨著中空玻璃微珠用量的增加，使其不能均勻地分散在LSR中，中空玻璃微珠大量聚集，微珠薄壁與薄壁的接觸使得隔熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率迅速上升而造成的。

圖3 中空玻璃微珠粒徑及含量對(duì)隔熱材料熱導(dǎo)率的影響Fig.3 Effect of particle diameter and contents of hollow glass beads on thermal conductivity of heat－insulation composites

3 結(jié)論

（1）填充中空玻璃微珠能夠明顯改善以LSR為基材的隔熱材料的性能，小粒徑中空玻璃微珠填充的材料的隔熱性能優(yōu)于大粒徑中空玻璃微珠填充的材料；

（2）以平均粒徑為40μm的中空玻璃微珠作隔熱填料時(shí)材料的熱導(dǎo)率降低幅度最大；

（3）隨著中空玻璃微珠用量的增加，隔熱材料的熱導(dǎo)率呈先下降后上升的趨勢(shì)，并在中空玻璃微珠含量為15份時(shí)達(dá)到最低0.0135W/m·K，比未填充中空玻璃微珠時(shí)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

四川省青年基金資助項(xiàng)目（0082342）

＊聯(lián)系人，jg2001584＠sohu.com