1、 前言
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，它属于非金属无机材料，具有重量轻，体积大，导热系数低，抗压强度高，分散性、流动性、稳定性好的特点，还具有低吸油、绝缘、自润滑、隔音、不吸水、耐火、耐腐蚀、防辐射、无毒等一些普通填充材料不具备的优异性能。
空心玻璃微珠有人造微珠和粉煤灰空心微珠之分。人造微珠是指用一定的原料，经过专门的加工工艺制造而成，粉煤灰空心微珠虽不是天然的，却是“自然”产生的，它是在火力发电过程中，伴随着废弃物粉煤灰而产生的。通常称为粉煤灰空心微珠。
空心玻璃微珠开发于二十世纪五十年代，国外自七十年代就开始将其作为一种新型填充材料应用，国内八十年代才开始研究空心玻璃微珠及其应用技术。空心玻璃微珠早先主要应用于航天事业、国防工业等尖端科学领域，如各类飞行器的防热罩、烧蚀材料等。近年来，作为复合材料的填充剂，已广泛应用于建材、塑料、橡胶、涂料等领域。
2、 空心玻璃微珠性能和特点
空心玻璃微珠是指微细粉末在高温气流中悬浮熔融或熔体在高压气流中雾化后，由于其自身的表面张力，凝聚形成细小的、中空的珠体。分为漂珠和沉珠两类。
漂珠又称薄壁空心微珠，为无色、白色或乳白色，具有珍珠光泽或玻璃光泽，是透明、半透明或不透明的珠形颗粒，薄壁中空，密度为0.40 ~0.75 g/cm3，粒径1~300μm，壁厚占颗粒直径的5~8%。
沉珠也称空心玻璃微球，为灰色、乳白色，呈玻璃光泽，半透明或不透明的空心珠体。与漂珠相比，密度大，一般为1.1~2.8 g/cm3，壁厚，粒度细，平均粒径小于45μm，珠壁密实无孔，厚度约占直径的30%。
空心玻璃微珠化学性质稳定，耐酸、耐碱、耐腐蚀，不溶于水，导热系数低，0.06~0.21w/mk，绝缘，介电常数为1.2~2.0，软化温度可达600℃，抗压强度高，反光，防辐射，自润滑，无毒。
3、 空心玻璃微珠作为填充材料的优势
3.1 经济性好
由于和其它形状的填料相比，空心玻璃微珠具有最小的表面积体积比，如表1，且吸油量低，可降低基体树脂用量，增加填料用量。同时，体积较小的玻璃微珠可以填充到较大的玻璃微珠空隙中，加大总填充量，进一步降低树脂用量，使成本降低。轻质的玻璃空心微珠与相同重量的普通填料相比，能占据更多体积，这就意味着，当考量单位体积成本时，而非单位重量成本时，空心玻璃微珠更具成本优势。3M公司用其不同空心玻璃微珠产品与普通填料进行了成本对比，详细情况如表2。
表1 填料表面积对比
| 填料 |
表面积 |
| m2/g |
m2/ cm3 |
| 云母 |
3~14 |
9~39 |
| 粘土 |
7~21 |
15~46 |
| 微晶硅石 |
5~6 |
14~16 |
| 碳酸钙 |
1.0~10.5 |
2.7~28 |
| 空心玻璃微珠 |
0.9~2.7 |
0.16~1.1 |
注：摘自3M中国有限公司玻璃微珠资料
表2 重量成本Vs.体积成本
| |
实测密度 |
磅/加仑 |
价钱/磅 |
价钱/加仑 |
| 粘土 |
2.2 |
18 |
$0.12 |
$2.20 |
| 云母 |
2.8 |
23 |
0.07 |
1.63 |
| 碳酸钙 |
2.7 |
22.5 |
0.06 |
1.35 |
| 硫酸钡 |
4.3 |
37.5 |
0.15 |
5.63 |
| 钛白粉 |
4.2 |
36 |
0.90 |
32.22 |
| K1 |
0.12 |
1.0 |
2.46 |
2.56 |
| K20 |
0.20 |
1.7 |
1.95 |
3.25 |
| S60 |
0.60 |
5.0 |
2.16 |
10.81 |
| A16/500 |
0.16 |
1.3 |
15.87 |
21.18 |
注：(1) 摘自3M中国有限公司玻璃微珠资料
(2) K1、K20、S60为3M公司普通系列玻璃微珠产品； A16/5003M公司漂浮系列玻璃微珠产品。
3.2 降低粘度，增加流动性
空心玻璃微珠外观为球形，与其它不规则形状填料相比，更容易流动，可以像轴承里的钢珠一样滚动，因此，在复合材料中添加空心玻璃微珠，可以降低材料的熔体粘度和内在应力，使加工成型更容易，利于复合材料的常规成型。
3.3 降低材料密度
一般填料由于自身密度较大，作为增量剂添加到塑料、橡胶中，虽可以达到降低成本的目的，但往往会使制品的密度增大，影响制品的性能和使用。空心玻璃微珠由于是中空产品，特别是漂珠，密度很小，在0.40 ~0.75 g/cm3左右，现在一些产品，比如3M公司的一些空心玻璃微珠产品密度更低，可以达到0.125~0.16 g/cm3水平。这类低密度填料添加到塑料中，不仅能降低成本，还会使制品变得更轻。
4、 空心玻璃微珠在复合材料中的应用
4.1在橡胶塑料制品中应用
将空心玻璃微珠填充到聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、尼龙、聚氨酯、聚苯硫醚等塑料材料中，可使制品寿命提高，某些性能提升，成本下降。如聚四氟乙烯密封环、活塞环及冷冻机摩擦环（加20~30%空心玻璃微珠）等使用寿命可提高3~5倍。超细空心玻璃微珠加入到硬质PVC板材中，可以提高板材的冲击性能，减少制品的收缩率，赋予PVC硬板优异的耐磨损性能。邓聪用空心玻璃微珠填充改性聚甲醛，结果表明，小粒径玻璃微珠可以提高复合体系的性能。
在橡胶制品方面，空心玻璃微珠作为填充剂，其填充量达40~80%，能将橡胶制品的强度提高，耐磨性增大，主要性能优于其它填料。表3列出了橡胶填料对比试验结果。
表3 橡胶填料对比试验结果
| 性能 |
空心玻璃微珠 |
白炭黑 |
碳酸钙 |
| 硬度 |
65 |
80 |
38 |
| 拉伸强度（Mpa） |
18.1 |
18.4 |
10.0 |
| 伸长率（%） |
610 |
660 |
630 |
| 永久变形（%） |
42 |
56 |
32 |
4.2 在玻璃钢和模塑制品中应用
将空心玻璃微珠替代玻璃纤维粉用于不饱和树脂生产的聚酯玻璃钢，强度提高，阻燃性增大。在模塑材料中加入空心玻璃微珠，能够使最终模塑制品的重量减轻25~30%，密度由1.7~1.9 g/cm3降到1.2~1.4 g/cm3，介电性能也得到大幅改善。秦岩[4]研究空心玻璃微珠填充低密度片状模塑料，表明：随玻璃微珠用量增大，弯曲强度和压缩强度均下降；玻璃微珠质量份数在20%左右时，密度为1.22 g/cm3左右，比未加填料时降低30%，弯曲强度损失30%，压缩强度损失50%；在无其它矿物填料的条件下，热变形温度随空心玻璃微珠用量增大而有所提高。目前空心玻璃微珠填充模塑方式，多用于制作轻质汽车和建筑零部件。
4.3 在合成泡沫塑料中应用
空心玻璃微珠填充聚合物基体而成的复合泡沫塑料，其泡沫结构是由空心微珠中间的空腔来提供的，空气泡的大小和分布很容易控制，因而比由物理或化学发泡作用产生的泡沫塑料具有密度低、强度高等优点，可广泛用作绝缘材料、水下浮力材料和航天材料。
在美国，环氧树脂/空心玻璃微珠合成泡沫材料已经成功应用到船舵中。德国也有用聚酰亚胺树脂和空心玻璃微珠合成的泡沫塑料制造帆船船舵，这种结构能够使其压缩弯曲强度及模量和高温条件下的尺寸稳定性得以提高。将空心玻璃微珠加入到液体热固树脂中制成复合泡沫塑料，其密度低、强度高、隔热效果好，目前已用它制成海上电缆浮子，以及300m以下深水的潜水艇、潜水服和营救工具。
5、 空心玻璃微珠在其它领域中的应用
5.1 涂料、油漆
空心玻璃微珠由于具有中空特性，比表面积小、吸油量低的特点，在涂料中可降低基料的用量，改善流平性和平滑性，可以在涂层内形成一道由空心玻璃微珠组成的真空腔体群，成为有效的热屏障。由于空心玻璃微珠粒径较小，相当或约大于普通涂料用填料细度，因而可以以填料方式直接加入到涂料体系，使涂料固化形成的涂膜具有保温隔热性能。
修补用的树脂腻子中，用空心玻璃微珠取代部分碳酸钙、滑石粉等填料，可以降低材料密度和收缩率，尤其能使磨砂和抛光等加工性能显著提高。
另外，利用空心玻璃微珠的耐磨性、绝缘性，还可以制成高级聚氨酯漆和高档耐磨防腐耐高温绝缘漆。
5.2 人造大理石和水泥
在美国，空心玻璃微珠已用于人造大理石生产。填充适当的空心玻璃微珠，可改善人造大理石纹理布局及颜色的连续性，降低固化时间，改善冲击强度，提高抗龟裂能力，降低破损率，同时改善机械加工性，减小后处理工具的磨损，且便于搬运及安装。
空心玻璃微珠密度低且不易吸水，可作添加剂制备低密度、低粘度、低渗透性及结合力强的轻质注浆水泥。在油、气井固井工程方面，尤其是超深井、高温度、长封固、平衡压力固井的超低密度水泥方面，这种空心玻璃微珠低密度水泥有不可替代的优势，目前已在全世界产油国广泛应用。
5.3 乳化炸药
空心玻璃微珠球体内含惰性气体，具有低密度、低导热、低吸油率，特别是密度、粒径、抗压强度及化学组成可调整性，是其它乳化炸药密度调节剂无法做到的，因而非常适合作为乳化炸药的密度调节剂、敏化剂。空心玻璃微珠在乳化炸药中应用，能有效提高炸药的可控度和爆轰性能，显著提高炸药的储存期和储存稳定性。
5.4 胶粘剂和密封材料
空心玻璃微珠具有不燃性、隔热性、电绝缘性和化学惰性，配制成微球胶粘剂或微球密封剂，可用于飞机舱内地板或发动机舱防火墙的密封，或用作导弹、火箭等宇航系统的绝热防烧蚀密封。由于空心玻璃微珠使胶粘剂和密封材料比重显著下降，因此可以降低飞机、导弹等飞行器的重量，提高飞行效率。
5.5 其它应用
空心玻璃微珠粉体密度较小，对其表面进行金属化处理后，可以取代密度较大的金属粉体用于电磁波吸收或电磁屏蔽材料的制备。在空心玻璃微珠表面镀银，可以获得性能优异的PIV（Partical Image Velocimetry）实验用示踪粒子。张秋宇等报道，对空心玻璃微珠进行偶联处理后，表面进行化学镀镍改性，用在医学免疫检测技术上前景看好。
6、 结束语
空心玻璃微珠材料作为一种新型填充材料，结构特殊，性能稳定，原料丰富，用途广泛，在塑料、橡胶、建材、涂料、航海、航天等领域已有广泛应用，并且在军事、医疗等高科技领域也有广泛的发展前景。随着改性和应用技术的研究深入，相信其应用领域将会进一步扩大和发展，给我们生活带来更多新的制品。
作者：宜兴市光辉包装材料有限公司 杨涛
►欢迎进入【粉体论坛】
更多精彩！欢迎扫描下方二维码关注中国粉体技术网官方微信（bjyyxtech）
|
