空心玻璃微珠／硅橡胶隔热材料的研究

太阳照射地球，每秒钟可以给地球带来1.765×1017J的能量。当建筑物、装备等物体直接暴露在太阳光下时，为了降低其表面温度，减少室内易燃易爆物体因高温可能引发的安全隐患，通常利用各种方式如空调、电扇及喷洒装置等进行降温。这类降温设备的能耗往往较高，可以占到社会年能耗总量的20%以上［1］。其中，建筑结构不同，相应的耗能比例差异较大，耗能比例最大的是屋面和外墙，能耗高达35%［2］。为了解决能源问题带来的困扰，国家住建部提出了五年后我国经济进入发达水平的城市，其建筑节能要达到65%以上。因此，提高建筑物的保温隔热性能对降低建筑能耗至关重要，隔热保温材料的研究则成为了建筑节能的关键，隔热保温材料是设计和建造节能建筑的关键工具［3］。

空心玻璃微珠（HGB）／硅橡胶隔热材料是一种性能良好的环保型材料［4－6］。将其应用于建筑物、装备等物体外表面，能够有效地阻隔热量向物体内部传导，降低建筑内部的温度，从而改善生活环境的舒适度，降低能源的消耗、减少浪费。

1 实验部分

1.1 原料

双组分甲基乙烯基硅橡胶（MVQ）：深圳红叶杰科技有限公司；HGB：型号为IM16K、VS5500、K20、K1，美国3M有限公司；HGB：型号为H32、H25、H20，马鞍山矿院新材料科技有限公司。

1.2 仪器设备

TC3100型导热系数仪：西安夏溪电子科技有限公司；TH-5000N型万能力学试验机：江都天惠试验机械有限公司；LX-A型邵氏硬度计：艾德堡仪器公司；DJ-1型电动搅拌器：江苏江宁仪器厂；AE2000电子天平：梅特勒-托普多仪器有限公司；SHZ-DC（Ⅲ）水式真空泵：江苏江宁仪器厂。

1.3 材料制备

将制备硅橡胶隔热材料所需的填料置于120℃烘箱内4h，除去填料表面水分。按1.0∶1.2的质量比称取适量硅橡胶A、B组分，迅速混匀。按照配方设计，将处理过的隔热填料加入硅橡胶中，电动搅拌器低速搅拌30min，真空泵抽气。最后将其浇注在模具中，在室温下固化12h，放置待用。

1.4 性能测试

拉伸强度按照GB／T 528—2009进行测试；导热系数按照GB／T 11205—2009进行测试；邵尔A硬度按照GB／T 531.1—2008进行测试；断裂伸长率按照GB／T 528—2009进行测试；耐酸性按照GB／T 1690—2010进行测试；耐碱性按照GB／T 1690—2010进行测试；吸水率按照 GB／T 1690—2010进行测试。

2 结果与讨论

2.1 基体的选择

基体材料是隔热材料中的黏结剂，在具有隔热性能的填料间起到黏结作用。制备隔热材料的关键在于选择与隔热型功能填料相容性好，耐水、耐候性能强，弹性和黏结力大的基体材料［7］。硅橡胶是指主链上含有Si—O基本结构单元，Si原子上通常连有两个有机官能团的化合物［8－9］。通常，硅橡胶分为高温热硫化硅橡胶（HTV）和室温硫化硅橡胶（RTV）。本文使用的MVQ是属于室温固化双组分加成型硅橡胶。MVQ是目前用量及产品牌号最多的硅橡胶，其由于侧链含有少量的乙烯基，故相比甲基硅橡胶更易硫化。硅橡胶性能优异：（1）在高低温的环境下仍能保持稳定性，一般在200℃的环境下，硅橡胶的力学性能无明显变化；（2）耐候性能好，Si—O—Si在氧气、臭氧、紫外线条件下十分稳定；（3）硅橡胶不仅具有一定的耐油、耐溶剂性能，还具有良好的憎水性；（4）硅橡胶无毒、无味、无嗅，具有绿色环保性。由于硅橡胶优异的性能，目前RTV在建筑行业、电子行业、模具及汽车等行业得到了广泛应用，成为用量最大的橡胶品种之一。

2.2 HGB的选择

HGB是一种由钠硼硅酸盐材料经过特殊制备工艺制成的，直径在几微米到几百微米的中空极薄新型无机多功能材料。HGB堆积密度小，约为0.10～0.50g／cm3，壁厚约为1～2μm，能够有效地降低材料密度，节约基体的使用量，降低成本；HGB抗压强度约为1.05～10.50MPa，且形状光滑、膨胀系数低，可以均匀地分散在基体中，减少产品的收缩率，同时能够有效地防止应力集中导致的开裂，有效提高填料量；HGB热分解温度超过1 450℃，可以提高基体的阻燃性能；HGB化学稳定性高，耐酸碱性能好，吸油率约为0.36 g／dL［10］。由于其高抗压强度、高熔点、高电阻率、低导热系数等优点，在浮力材料、绝热保温材料、聚合物填充等领域应用广泛［11－12］。本文选取了美国3M有限公司和马鞍山矿院新材料科技有限公司的部分型号HGB与MVQ共混，制备隔热材料。表1为两个公司分别提供的HGB技术指标。

表1 HGB技术指标

2.3 HGB对隔热材料隔热性能的影响

HGB与MVQ共混制备了HGB／MVQ隔热材料，使用导热系数仪测试了HGB／MVQ隔热材料的导热系数，结果见图1。

从图1可以看出，添加定量的同一个公司生产的不同粒径HGB时，HGB的粒径越大，密度就越小，HGB／MVQ隔热材料的导热系数越低；型号K20和H32、K1和H25的HGB粒径相同，在其添加量相同时，隔热效果为：K20＞H32、K1＞H25；添加相同粒径的HGB时，HGB／MVQ隔热材料的导热系数随着HGB添加量的增大而减小，隔热性能增强。实验选用的7种HGB中，型号为K20的HGB在HGB／MVQ隔热材料中隔热效果最好。当型号为K20的HGB添加量为20g／100g MVQ 时，HGB／MVQ 隔热材料的导热系数为0.100 2W／（m·K），相比纯 MVQ［导热系数为0.230 0W／（m·K）］降低了56.5%。其原因主要是：（1）相比固相的HGB壳壁而言，空气的隔热性能优异，当HGB壳壁厚度差异较小时，HGB的粒径越大，空气的体积比就越大，对热的阻隔作用就越好，材料的导热系数就越低，当HGB粒径差异较小时，壳壁厚度越大，材料的孔隙率越低，导热系数就越高；（2）随着HGB的添加量增大，HGB／MVQ隔热材料的孔隙率增高，也就是材料内部的空气体积比越大，隔热效果越显著。

1 HGB／MVQ隔热材料导热系数随HGB添加量变化曲线

2.4 HGB对隔热材料力学性能的影响

使用万能力学试验机和邵氏硬度计测试HGB／MVQ隔热材料的拉伸性能和硬度，测试结果如图2和图3所示。

图2 HGB／MVQ隔热材料拉伸强度随HGB添加量变化曲线

由图2可以看出，HGB添加量相同时，同品牌HGB的粒径越大对HGB／MVQ隔热材料拉伸强度的破坏作用越大；添加的HGB粒径相同时，HGB／MVQ隔热材料的拉伸强度随着HGB添加量的增大而减少，其中型号为K20的HGB隔热效果最好，但是对HGB／MVQ隔热材料拉伸强度的破坏最大。当添加量为20g／100g MVQ时，HGB／MVQ隔热材料的拉伸强度仅为0.52MPa，相比纯MVQ降低了90.0%。其主要原因是：（1）HGB是一种无机填料，与高分子聚合物之间的结合力较差，在MVQ中混入HGB的粒径越大，隔热材料表面的缺陷就越多，力学性能受到的副作用越大；（2）HGB的添加量越大，越容易在基体中产生团聚现象，应力集中点越多，对拉伸性能的破坏作用就越大。

图3 HGB／MVQ隔热材料硬度随HGB添加量变化曲线

由图3可以看出，当添加相同粒径HGB时，随着HGB添加量的增大，HGB／MVQ隔热材料的硬度先增大后趋于平缓；当HGB的添加量相同时，粒径小的HGB对HGB／MVQ隔热材料硬度的补强效果更好，其中型号为K20的HGB对HGB／MVQ隔热材料硬度的增强效果最好，在其添加量为20g／100g MVQ 时，HGB／MVQ 隔热材料硬度为61，相比纯MVQ提高103%。其主要原因是：（1）由于HGB在MVQ中相当于补强剂，当HGB的添加量不超过临界值时，HGB的添加量越大，对较低硬度的MVQ补强效果就越明显；当HGB的添加量超过一定量时，由于无机填料的增加导致材料界面缺陷增大，HGB对材料的补强作用被材料缺陷导致的硬度破坏作用所抵消。因此，HGB／MVQ材料的硬度提高幅度变小；（2）粒径较小的 HGB对材料的补强效果更好。

2.5 HGB复配对隔热材料性能的影响

选取一定比例型号为IM16K和K1、VS5500和K1分别与MVQ共混，制备复配HGB／MVQ隔热材料。使用导热系数仪及万能力学试验机对复配HGB／MVQ隔热材料隔热性能和力学性能进行表征，结果见图4和图5。

固定HGB总添加量不变，通过改变HGB的比例进行复配。由图4和图5可以看出，当复配比例相同时，IM16K／K1／MVQ隔热材料的导热系数大于VS5500／K1／MVQ隔热材料，但拉伸强度小于VS5500／K1／MVQ隔热材料。其中，m（VS5500）／m（K1）／m（MVQ）为 5／15／100 的 隔 热 材 料 和m（K1）／m（MVQ）为20／100的隔热材料的导热系数相近，但拉伸强度却是m（K1）／m（MVQ）为20／100隔热材料的2.1倍。由于VS5500比K1粒径小，且VS5500在K1的空隙中填充效果较好，因此对隔热材料力学性能的破坏作用较小。

图4 复配HGB／MVQ隔热材料导热系数随HGB复配比例变化曲线

图5 复配HGB／MVQ隔热材料拉伸强度随HGB复配比例变化曲线

2.6 HGB／硅橡胶隔热材料基本性能的测定

当m（VS5500）／m（K1）／m（MVQ）为5／15／100时隔热材料的隔热性能和拉伸强度较好，因此，选取此配方制备隔热材料，隔热材料的基本性能测试结果如表2所示。

表2 隔热材料的基本性能

3 结 论

（1）选取的7种型号HGB中，同品牌HGB的密度和导热系数随着粒径的增大而降低，随着同品牌HGB粒径和添加量的增大，HGB／MVQ隔热材料的隔热性能增强，但拉伸强度受到破坏。

（2）型号K1与型号VS5500的HGB复配制得的HGB／MVQ隔热材料在力学性能和隔热性能都得到了改善。综合力学性能、隔热性能因素，确定隔热材料的最佳配方为m（VS5500）／m（K1）／m（MVQ）＝5／15／100时，导热系数达到最低 值 0.108 7W／（m· K），拉 伸 强 度 为1.1MPa。