热塑性膨胀微球技术说明

热塑性膨胀微球简介:

热塑性膨胀微球,又称微胶囊,发泡微球,英文名Expandable Microsphere,是一种热塑性空心高分子聚合物微球,由热塑性聚合物外壳和封入的烷烃气体组成。这些空心球的平均直径范围从10至50µm,真密度为1,000至1,300kg/m³。当加热膨胀微球时,壳内气体压力增加并且热塑性外壳软化,从而使膨胀微球体积显著增加。当冷却时,膨胀微球外壳再次变硬,体积固定。经过轻微膨胀的微球,再次加热可二次膨胀。完全膨胀后,膨胀微球直径和体积都会发生变化,例如直径从10增大到40µm,体积即增加43=64倍,最终真密度会小于70千克/米3(可控,低至20千克/米3)。典型膨胀温度范围从80到200℃。

膨胀微球发泡示意图

物理膨胀微球的特性:

•     可膨胀

•     热稳定性

•     粒径

•     外壳厚度

•     耐化学品性能

•     弹性

•     气密性

•     机械强度

•     表面改性

可膨胀

通常会使用热力学分析(TMA)测量膨胀特性。每种微球型号都有自己特有的TMA曲线。

图1:典型热力学分析曲线

数值 说明
Tstart 开始膨胀温度。
Tmax 记录得到样品最大体积时的温度。
TMA密度 在Tmax温度时样品的密度。

微球膨胀过程是外壳软化、外壳气密性,外压和微球内气体压力增加之间的一个微妙平衡。此平衡受到许多因素的影响,例如:

  • 热塑性膨胀微球外壳的聚合物成分;
  • 热塑性膨胀微球内部气体的类型;
  • 外壳接触的化学品;
  • 外部压力;
  • 自由膨胀还是在基材内膨胀;
  • 基材类型;
  • 加热速度;

聚合物成分非常重要,因为它决定了外壳的玻璃化转变温度和气体渗透性。膨胀微球内气体决定了在指定温度下外壳内部的压力。

如果膨胀微球接触一些化学品,这将可能导致壳体玻璃化转变温度降低,并导致外壳提早软化和降低开始膨胀的温度。

如果微球处于外部压力下,微球内部与外部之间的压力差减少,从而导致开始膨胀温度的上升。

如果把热塑性膨胀微球混入基材中,此基材可能降低外壳/基体的气体渗透性。

如果基材是一种热交联树脂,那它可能会阻止微球的膨胀。

较低的升温速度,将导致更多的气体渗透出外壳,降低微球内部蒸汽压,导致膨胀能力下降。

热稳定性

不同型号预膨胀微球热的稳定性具有明显差异差异。不同热塑性膨胀微球型号具有不同的热机械性能,适用于不同的工艺和应用。测试方法:把两种不同样品放入玻璃管中,并在180℃烘箱内加热30分钟,观察颜色变化和体积变化。

粒径

物理膨胀微球非常小,膨胀前粒径通常为10-50微米之间。通过小角度激光散射(LALLS)进行测试粒径,每个微球都不是同一尺寸,具有一定粒径分布范围。所有微球,在直径和外壳厚度之间,具有近似相同的关系,体积大的微球壳体更厚,气密性更好,膨胀效果也会比体积小的微球好。未膨胀微球的粒径分布是相当窄的,但膨胀之后将变宽,参见图3。

图3:未膨胀(绿色)和对应已膨胀(红色)物理膨胀微球粒径分布图。

耐溶剂性能

在实际应用中,物理膨胀微球可能会接触各种化学溶剂,每一种溶剂对于微球的作用都不尽相同,需要具体分析测试,可能会出现以下情况:溶胀,变色,发泡倍率改变等。

弹性

绝大多数膨胀微球型号都具有良好的弹性。已膨胀的微球会容易被压缩,当解除压力时,觉大部分膨胀微球会恢复到他们的原始体积。因为这种弹性,膨胀微球能够承受多次加压/卸压,而不发生破裂。

因此微球能应用于吸收冲击的材料中,以及被单独或在各种混合物中泵送。

气密性

膨胀微球的聚合物外壳配方经过精确设计,具有相当低透气性,能有效防止微球泄漏气体到基体中。气体泄漏到基体中可引起针孔和密度增加。不同型号膨胀微球具有不一样的气密性。

机械强度

膨胀微球能够承受多次加压/卸压循环,而不发生塌陷。但是,随着微球密度降低,这种能力也将降低。一些化学品还可能影响弹性和机械强度。

表面改性

把少量膨胀微球加入到涂料中,可呈现一种精美的仿天鹅绒表面。这在许多不同材质上都可以实现,如金属、纸张,织物等等。

闭孔结构

膨胀微球是闭孔结构的,这在许多应用中都是一种重要的性能。

在水性涂料中,这意味着膨胀微球具有较低的吸水性,但是涂料将具有很高的透水性。这是由每个微球和周围基体之间形成的狭窄通路引起的。与涂层本身内的水分输送相比较,在此间隙内的水分输送更快。这有利水分在基材里的蒸发。

保温和绝缘

充气闭孔结构不仅有利于电气绝缘,而且有利于热量保温隔热。

膨胀微球用于电缆填料中改善电绝缘性能。

内压

在制品内加入膨胀微球可以产生内压。这可以应用于很多方面。其中一种实例是作为模压成型的加工助剂。膨胀微球在加入粘结料之前,可以与填料混合,微球在模具内产生了压力,并且与粘结料一起填充填料粒子之间的孔隙。

另外的实例是注塑成型,此压力用于抵消成品冷却时发生的收缩。