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一文了解“空间时代材料”—空心玻璃微珠的表面改性


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  未经表面改性的空心玻璃微珠存在着保温效果差、无电磁性能、表面疏水性能不理想等缺点,严重影响了其应用。

中国粉体网讯  空心玻璃微珠(Hollow Glass Microspheres,简称HGMS)是一种中空的,内含惰性气体的微小圆球状粉末。一方面,作为一种新型填料,具有质量轻、强度高、流动性好,隔热、耐腐蚀等优点,在轻质复合材料、涂料、航空航天、深海固井、电绝缘材料、隔热、隔音材料以及军事炸药等领域具有广阔应用前景,被誉为“空间时代材料”。


空心玻璃微珠物理性质参数



另一方面,未经表面改性的空心玻璃微珠存在着保温效果差、无电磁性能、表面疏水性能不理想等缺点,严重影响了其应用。如空心玻璃微珠与树脂基体之间的熔点、热膨胀系数、表面极性等存在较大差异,因此空心玻璃微珠与环氧树脂的相容性差,直接混合会导致制备的材料性能差。因此,若要进一步提高空心玻璃微珠的性能,拓宽其应用领域,就需要对其进行表面改性。


1.偶联剂处理


通过偶联剂分子,无机相和有机相能够紧密结合,增强界面粘合力,从而改善材料的性能。常用偶联剂大体可以分为三类:硅烷偶联剂,钛酸酯偶联剂,有机铬化合物。其中硅烷偶联剂含有三官能度的无机官能团,即[Si-(OR2)3],在对空心玻璃微珠的表面进行处理时,硅烷偶联剂先是将烷氧基水解生成硅烷醇,再与玻璃微珠表面的Si-OH进行缩合反应,形成化学键。它是目前用量最大、品种最多且改性效果明显的一类偶联剂。


2.酸碱刻蚀


酸碱刻蚀改性主要是利用酸碱的腐蚀性,在空心玻璃微珠的表面腐蚀出沟壑,微珠的表面形貌将会粗糙不平。被腐蚀的空心玻璃微珠填充树脂时,一方面树脂基体的高分子链段可以进入微珠表面的沟壑,产生一种“锚固”的作用,增加两者界面之间的作用力;另一方面,经过刻蚀后,微珠表面产生大量的硅羟基,有利于增加两相之间的界面结合力。


3.等离子体表面处理


空心玻璃微珠表面含有大量的硅羟基,但活性较低,很难参与化学反应。而等离子体表面处理可使微珠表面的硅羟基成为活性中心,进而引发单体在微珠表面进行聚合。等离子体改性通过三方面达到效果:


(1)增加微珠表面的粗糙度。采用氩气、氦气等惰性气体,对微珠表面进行刻蚀,增加微珠与树脂的接触面积,还可使树脂的高分子链段“锚固”在其中,增加复合材料的界面相容性。


(2)活化微珠表面。采用二氧化碳、氮气、氨气等活化微珠的表面,引入羧基、氨基、羟基等基团,可与树脂的分子链反应,增加微珠和树脂界面的相互作用。


(3)等离子体聚合。首先利用等离子体活化空心玻璃微珠的表面,引入自由基等活性基团,然后进行接枝反应,在微珠表面形成一层带特定基团的聚合物薄膜。


4.表面包覆处理


表面包覆是利用无机物或有机物对微珠表面进行包覆以达到改性的效果。有学者采用加碱法在空心玻璃微珠表面包覆一层TiO2薄膜,可以提高空心玻璃微珠的亮度,提高太阳光的反射比,用其制备的保温涂料对太阳光具有较好的反射率。


5.表面接枝聚合改性


这类改性主要是采用原位聚合的方法利用单体和引发剂等原料在填料表面包覆一层聚合物。在空心玻璃微珠表面引入反应活性点,然后再与功能基团反应实现改性效果。其最大的优点是可以通过选择特定的单体和聚合条件,设计不同性能的界面层,具有很好的理论意义。


6.其它表面改性方法


空心玻璃微珠是一种无机非金属材料,其主要成分为SiO2和 Al2O3,因此,不具备导电和电磁等性能。若对空心玻璃微珠表面进行化学镀镍、钻、铜、银、铁等金属处理后,可以使其具有吸收电磁波和反射近红外 的功能,故可取代密度较大、具有磁性的过渡族金属粉体用作导电材料、电磁波吸收或电磁屏蔽材料。此外,随着生物技术不断得到发展和完善,空心微球凭借其独特的结构和优异的性质在此领域不断得到推广应用。Caruso F.等报道了将生物酶包裹在空心球中,可以得到新型生物功能材料,他们制备的含有蛋白质和高分子的空心球,可作为药物载体注入生物体中。


小结


改性空心玻璃微珠在电磁屏蔽、微波吸收、医学等方面具有广泛应用。国内高强度、低密度的空心玻璃微珠的性能与国外仍有差距,相关高性能空心玻璃微珠仍依赖于进口。所以高性能空心玻璃微珠的开发研究不仅具有巨大的经济效益和社会效益,推动相关产业发展,对我国的国防事业也有重要的战略意义。


参考资料:


李想.环氧树脂/空心玻璃微珠复合泡沫材料的制备研究

李珍.空心玻璃微球填充环氧树脂固体浮力材料研究

吴湘锋.空心微珠的制备及其高强轻质树脂基复合材料的结构与性能研究

王鹏.空心玻璃微珠表面改性对固体浮力材料性能影响研究

赵强等.空心玻璃微珠表面包覆改性及其应用


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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