新材料空心玻璃微珠用于汽车轻量化材料

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2.      高性能空心玻璃微珠

高性能空心玻璃微珠(以下简称HGS)是一种密闭、中空正球体，壁厚1~3μm，内含稀薄的氮气、二氧化碳等气体，其主要化学成分为碱石灰硼硅酸盐玻璃。HGS作为一种轻质微米级的树脂材料填充剂，可有效降低制品密度、提高或改善制品的耐水性、力学性能、收缩率和流变性能等。

表1 HGS主要性能参数

HGS		H20	H25	H32	H40	H46	H60	Y12000
外观		白色粉末
软化点		620℃
真密度/g·cm-3		0.20	0.25	0.32	0.40	0.46	0.60	0.60
振实密度/g·cm-3		0.10	0.15	0.20	0.26	0.30	0.39	0.39
抗压强度MPa		3	5	14	28	41	55	82
抗压强度PSI		500	750	2000	4000	6000	8000	12000
粒径	D10/μm	35	30	25	25	25	22	22
	D50/μm	65	60	55	50	50	48	48
	D90/μm	130	120	110	95	90	90	90

3. HGS添加在树脂中的优点

(1) 减轻制品重量

HGS由于密度小，与等重量的其他无机填料相比占据更多的空间，更多地减少树脂用量和VOC指标，起到减重和节约成本的效果，是一种环保型产品。

CaCO3

H40

H32

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图1.同质量的碳酸钙、H40和H32体积对比

(2) 降低制品的收缩和翘曲

HGS具有各向同性，使制品尺寸的稳定性增高，能够减少收缩和翘曲。

(3) 改善制品的力学性能

若填充比例适当，HGS可改善制品的韧性，拉伸和弯曲性能显著提高，表面硬度增强。

(4) 改善加工性能

HGS是微小的正球体，球型率高，具有滚珠轴承效应，能提高流动性，降低树脂混合物的黏度和内应力。因此，在加工过程中复合材料动态生热少，能防止润滑不足和局部热分解，注塑时更容易挤出，不仅减少制品的缺陷，而且使生产效率提高15%-20%。

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图2.HGS的偏光显微镜和SEM照片

4. 产品应用

(1) 固体浮力材料

HGS是固体浮力材料中最主要的浮力调节介质。我公司产品外抗压强度高，广泛应用于深海运载和作业装备﹑海上石油系统﹑海洋调查监测系统﹑海洋采矿系统﹑浮标系统等海洋领域。

表2.添加HGS的固体浮力材料密度及极限深度

材料密度/g·cm-3	极限深度/m
0.35	540
0.45～0. 48	2430
0.56	7000
0.62	11000

建议使用产品：密度较小的HGS，如H25、H32、H40等。

(2) 工程塑料

HGS作为一种高强度的填料可以有效改进产品性能，包括：

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u 有效降低部件重量和吸水率

u 制品不易变形，尺寸稳定性好

u 与树脂融合较好，易于加工

u 降低树脂用量，节约成本

u 制品的力学性能得到改善

图3.添加10wt%.H46的PA66粒子

建议使用产品：根据客户对密度的需求选用。如加工工艺为注塑，需选用抗压强度较高的玻璃微珠，如H46、H60等。

(3) 汽车工业

汽车轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整体质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%。

HGS对汽车的减重主要应用于以下几个方面：

1)车身部件：包括车身壳体、车篷硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、大灯反光板、前后保险杠等以及车内饰件；

2)结构件：包括前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板等；

3)功能件：其主要特点是要求耐高温、耐油腐蚀，以发动机及发动机周边部件为主。如：发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水口外壳、水泵涡轮、发动机隔音板等；

4)其他相关部件：如CNG气瓶、客车与房车卫生设施部件、摩托车部件、高速公路防眩板和防撞立柱、公路隔离墩、商品检测车顶柜等。

例1. 在模塑料（SMC和BMC）中添加空心玻璃微珠使制品重量降低25%~35%，改善介电性能，提高热变形温度。

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图4. 轿车复合材料部件示意图

建议使用产品：低强度的玻璃微珠适合用于发泡材料、对加工强度要求不高的成型方式（如挤出成型、模压成型等）；高强度的玻璃微珠适用于注塑成型的部

件，及其他对强度要求较高的部件。

(4) 胶黏剂/密封胶

u  降低胶粘剂/密封胶密度；

u  提高粘结强度；

u  减少溶剂用量，降低VOC含量；

u  有效控制胶层厚度，防止溢胶；

u  减小胶粘剂/密封胶干燥时的收缩及开裂现象；

u  耐光、耐热，提高胶粘剂抗老化性；

u  赋予胶粘剂/密封胶隔热、隔音、绝缘、阻燃等性能。

    例2. 在发动机用硅密封胶中添加了10%HGS，有效提高了发动机用硅密封胶的初期耐压性，从而使得发动机用硅密封胶在具有较好即时密封的同时又兼具较高的粘结强度，较好地满足了发动机部件在装配时的使用需求。

建议使用产品：H32、H40、H46等。

(5) 用户行业

HGS应用范围非常广泛，目前在复合材料领域使用我公司产品的客户行业涉及代木、硅橡胶、玻璃钢、电缆、鞋底、保温管材、PVC地板、浮体材料、航空航天用电子材料、轻质车用阻尼板、浮雕家饰、轻质粘土、卫浴等。

(6) HGS使用参考

1) 我公司可以为客户提供含不同表面活性基团的HGS，适应于多种树脂体系，具体类型如下表。

表3.不同系列HGS及其适用体系

HGS	适用树脂
H系列	环氧树脂、丙烯酸树脂、尼龙、酚醛塑料、PVC、聚氨酯橡胶、三聚氰胺、丁腈橡胶
HC系列	环氧树脂、PBT聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚硫橡胶
HP系列	不饱和聚酯、丙烯酸树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃
GS系列	表面PH小于8，适用于自行改性的客户

2) HGS挤出工艺中的添加建议

a.建议使用双螺杆挤出机，并配备下游进料口，用于添加微珠。下游进料口的螺杆螺纹应该设置为最小剪切压力；

b.从树脂熔融处之后开始添加微珠，建议将挤出机的螺杆速度和出口压力降至最小值。

3) HGS注塑工艺中的添加建议

a.建议使用通用型3段螺杆(进料、压缩和计量)加工混有高强度的微珠的树脂；

b.料筒尺寸，螺杆长径比：16:1-22:1；

c.压缩比，低压缩比螺杆，通常为2:1-3:1；

d.推荐采用低注塑速度；

e.温度设定：含微珠的混合物通常比无填充物的树脂需要更高的温度。在树脂承受温度的上限情况下熔融可以降低粘度，获得流畅和光滑的无瑕疵表面。

4) HGS在热固性树脂中的添加建议

a.先加入树脂及其他助剂，搅拌均匀后再加入空心玻璃微珠，以最大程度减少微珠的破损；

b.如果您是自主添加偶联剂对玻璃微珠改性，添加先后顺序为：树脂、玻璃微珠、偶联剂、其他助剂，以保证偶联剂的活性最大化。

5) HGS对环氧树脂增稠的处理方法

无机填料加入树脂体系中都会起到增稠的效果，由于空心玻璃微珠形状光滑圆整，无尖锐边角，因此没有应力高度集中现象，与其它形状的填料相比，空心玻璃微珠比表面积最小，这意味着提高填料量，体系粘度的变化较小。但是随着填充量的增加，树脂体系的黏度也在不断增加，为获得较高的填充量，建议如下解决方法：

当用环氧树脂作为复合材料基体时，为了降低体系的粘度，常在树脂中加入

活性稀释剂。活性稀释剂化合物分子中含有1个或2个以上的环氧基，能够和环氧树脂一起参加固化反应。常用的有正丁基缩水甘油醚、环氧丙烷苄基醚、环氧丙烷丁基醚等。稀释剂加入量的上限一般为10%，具体添加量请根据实际需求来定。

7. 包装

为了便于装运和贮存，本公司生产的高性能空心玻璃微珠使用衬有塑料袋的纸箱或集装袋包装，并采用各种形式散装运输，具体包装重量如下表所示：

包装方式	规格/cm	单位重量/kg
		H20	H25	H32	H40	H46	H60/Y12000
A纸箱	41.5*41.5*52	10	12.5	15	20	22	30
B纸箱	50*50*50	13	15	22	28	32	40
集装袋	89*89*220	200	300	420	500	600	800

8.注意事项

u  为了最大程度延长产品存贮时间，未使用产品应存贮在干燥阴凉的地方，尽量避免潮湿环境，开封后未使用完的产品，应重新扎好内膜袋袋口，防止产品吸潮结块；

u  HGS密度越低，减重效果越好，但强度越低、粒径越大，因此选择产品型号时应结合树脂的制备条件、使用方式来定，合适的产品是保证性能的前提；

u  HGS为具有中等碱性的超细粉体，长期暴露会刺激呼吸道，因此操作过程中应使用合适的口罩或呼吸器等防护用品。

中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司

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