时代的发展对材料提出了更高的要求,鞋子更轻,车子更省油,塑料制品更环保,加工性能更优越,成本更低,品质更好……这些是材料创新的源动力,也是时代发展的驱动力。空心玻璃微珠作为新型功能性填料,逐渐走到材料界的聚光灯下,为更多创新带来可能。
一、空心玻璃微珠在树脂体系中的应用:
高强度、低密度的圣莱特空心玻璃微珠可用作各种聚合物和应用中的轻量化添加剂,同时保持或改善加工性能和材料的物理性能。圣莱特空心微珠可用于各种树脂体系,包括:
1)聚烯烃、尼龙复合材料和其他热塑性塑料
2)热固材料、液体和膏状物
3)片状模塑和块状模塑复合材料
4)弹性体
5)代木/聚合物复合材料
二、空心玻璃微珠对树脂体系的性能提升:
圣莱特空心微珠可承受共混、注塑、挤出和其他制造工艺的温度和压力等加工条件。正确的使用方法,能为产品带来品质的提升:
1)提高流动性能
空心玻璃微珠是微小球体,在树脂中起到微型滚珠轴承作用,要比片状、针状或不规则形状的填充粒子更具有较好的流动性,由此产生的微球效应,使混合料粘度下降,充模性能自然优异,良好的加工性能可使生产效率提高15%~20%。
2)降低制品的收缩性和翘曲性
由于球形物体是各向同性的,填充微珠能够克服因取向造成的不同部位收缩率不一致的弊病,保证了产品的尺寸稳定,降低翘曲,解决了异型材、大型注塑产品成型加工一直存在的变形问题。此外,用空心玻璃微珠做填料提高填充改性材料的加工速度,提升生产效率。
3)较低的吸油率
空心玻璃微珠吸油率0.20~0.60g/cc,因为其圆球状结构,单位体积的比表面积更低,吸油值更低。
4)体积成本更经济
高性能空心玻璃微珠的密度仅是树脂密度的1/5~1/2,同体积下只需要使用少量的空心玻璃微珠就能替换较重的其他粉体材料。当考量单位体积成本时,填充应用后可使产品减轻重量,从而减少主原料树脂、橡胶的用量,降低产品成本。
三、空心玻璃微珠在热塑性材料中的加工及使用建议:
要想充分发挥空心玻璃微珠的效果,必须保证在添加过程中空心结构保持不破损。而双螺杆挤出机中的强剪切很容易使玻璃微珠破损,一旦空心玻璃微珠破碎,将成为密度为2.5g/cm3内的玻璃碎片,无法起到减重效果。这也是很多应用产品在实验初始阶段没有达到理想效果的主要原因。所以,如何减少微珠在双螺杆挤出机造粒过程中的破碎率,是空心玻璃微珠优异性能发挥的关键。
具体可从挤出机螺纹组合、喂料与切粒方式、主机转速、微珠耐压强度等方面进行考虑。
1.双螺杆螺纹组合的调整
在双螺杆挤出机中,螺杆对物料的剪切力使得填料分散均匀。微珠的圆球形状更容易分散,过大的剪切力反而容易导致其破碎。因此应调节啮合段螺纹块角度,减小剪切力。具体调节方式如下:
长粒子造粒条件下,螺纹组合调节前后破碎率对比
(数据来源:圣莱特研发实验室)
2.喂料方式的调整
为更好的降低微珠破碎率,应:
1)选择侧喂料加入,减少微珠在螺杆中受到的剪切几率。
2)选择长粒子造粒,减少造粒时强机械力的破坏。
改善螺纹组合后,不同喂料方式及造粒方式所造成的破碎率对比:
(数据来源:圣莱特研发实验室)
备注:
1、实验所选用的圣莱特空心微珠型号为HS46K与HK60。
2、HS46,耐压强度:16000psi,D90(典型值)30μm,比重0.46g/cm3。
3、HL60S,耐压强度:18000psi,D90(典型值)55μm,比重0.60g/cm3。
3.双螺杆机转速的影响
转速高时物料受到的剪切力更大,使得微珠更容易破碎。因此,保证生产工艺的前提下降低转速,减小螺杆剪切力。
改善螺纹组合后,长粒子造粒及侧喂料条件下
对比不同螺杆转速所造成的破碎率:
(数据来源:圣莱特研发实验室)
在微珠含量为10wt%左右时,微珠的破碎率随螺杆转速的提升而增加,400r/min时破碎率上升到7.23%。
4、常见问题及解决方法
1)微珠在挤出过程中破碎率多少才算正常?
由于加工方式的问题,微珠在挤出过程中会有一定的破碎率。
优化方案:
调整螺杆组合,侧喂料加入微珠,长粒子造粒,破碎率可控制在2-3%。
2)微珠加入后是否影响树脂加工性能?
微珠是一种无机粉体填料,和其他无机填料类似,加入后可提高树脂的耐热性能。因此使得加工温度升高。
解决方案:
1、挤出机在原本的加工温度下,提高5-10℃;
2、在配方中添加少量的润滑剂来解决。
3)微珠从侧喂料进料后,如何保障喂料均匀性?
解决方案:
1、侧喂料选择双螺杆强制喂料;
2、侧喂料需加入搅拌棒,防止微珠“架桥”,保证进料均匀。
4)加入微珠后树脂的力学性能会大幅度下降吗?
加入微珠后会牺牲一部分的冲击性能,但能提高部分弯曲模量。
改进方法:
1、添加少量增韧剂;
2、对微珠表面进行偶联剂改性,提高微珠与树脂的结合性能。