产品|空心玻璃微珠的生产工艺以及不同工艺产品的区别

我们通常所说的玻璃一般指硅酸盐玻璃，硅酸盐玻璃因其优异的性能而被制成各种玻璃制品在工业和民用领域广泛使用，是我们生活中最常用的材料之一。空心玻璃微珠就是把玻璃做成微米级的中空薄壁圆球，其组成为硅酸盐玻璃，含有少量的氧化硼，也称为硼硅酸盐玻璃，外观为白色流动性粉末。

一、玻璃的形成及影响因素

玻璃的制备通常是将二氧化硅、碳酸钠、碳酸钙、硼酸盐等原材料混合后高温加热熔融，然后冷却获得，这一过程称为玻璃熔制。玻璃熔制是一个复杂的物理和化学变化过程，可分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液的澄清、均化和冷却五个阶段。

 1.  硅酸盐的形成：800-900℃条件下，碳酸钠、碳酸钙经过高温加热分解成氧化钠和氧化钙，再与二氧化硅反应生成硅酸钠和硅酸钙与二氧化硅组成的不透明烧结物。

 2.  玻璃的形成：温度达到1350℃时，二氧化硅颗粒在硅酸盐熔融体中溶解扩散，从而形成玻璃。

 3.  玻璃液的澄清、均化和冷却：在玻璃形成后，玻璃中的废气须要排除，玻璃液中各成分，尤其是二氧化硅扩散开来，形成均一的玻璃液，冷却之后才能获得氧化物分子均匀分布的玻璃。这一系列过程称为玻璃液的澄清、均化和冷却。 

玻璃的形成通常需要经过1300℃以上的高温熔融、澄清和均化，整个过程持续数小时。1300℃以下的温度，以及30分钟以内的时间，难以完成玻璃的形成。

玻璃熔制是玻璃生产中最重要的环节之一，是玻璃工业研究的重点，若控制不好，将产生各种玻璃体缺陷，影响玻璃的质量，比如温度过低或时间过短，二氧化硅难以熔化和扩散，遗留在玻璃中产生“结石”；玻璃液的澄清和均化时间不够，璃中的废气难以排除干净，玻璃中容易残留碳酸钠和碳酸钙等无机盐原料。这些玻璃缺陷将严重影响玻璃的力学性能和化学稳定性。

二、空心玻璃微珠的生产工艺

空心玻璃微珠的研究开始于上世纪五六十年代，当时基于航空航天工业的发展对高性能材料的要求，一些国家对轻质、隔热等高性能复合材料及原材料进行了深入研究。经历半个多世纪的技术发展，目前工业化规模应用的空心玻璃微珠生产工艺主要有两种路线，一种是液体干燥法，一种是固体熔融法。我国科研院所自2000年左右开始研究空心玻璃微珠的生产技术，圣莱特也进行了十余年空心玻璃微珠的专业研究，对各种生产工艺进行过深入探索。

 1.  液体干燥法

液体干燥法也叫液相法、喷射造粒法、喷雾干燥法，是以硅酸钠水溶液（俗称液体“水玻璃”）为基础原材料，加入二氧化硅（商品名“白炭黑”）、碳酸钠、碳酸钙和硼酸钠等原料，混合配制成溶浆，经喷雾干燥塔脱水制成混合料粉末，然后在1100℃左右高温下对粉末进行空心成球。

成球过程中混合料各成分发生快速的分解和硅酸盐反应。成球效果受温度、原料配方等因素的综合影响。温度过高难以形成空心球。通过玻璃熔制过程的认识我们知道，二氧化硅的熔点高，在熔体中的扩散慢，在短时间内难以与其它成分形成均质的玻璃液，容易在玻璃中形成“结石”。所以液体干燥法采用硅酸钠水溶液（水玻璃）作基体，引入分子硅源，代替部分二氧化硅，从而减少玻璃中“结石”的产生量。早期的液体干燥法生产技术因为空心成球温度低，二氧化硅无法熔融，几乎全部采用水玻璃作为硅源，这样导致产品中二氧化硅含量不足，产品强度太低，产品应用受限。我国科研院所也进行了长期持续的研究，通过引入部分低熔点的含硼硅钙的复盐或矿粉，可以减少产品“结石”缺陷，提高产品性能，改进的液体干燥法也被称为软化学法。液体干燥法的优点是生产工序少，生产过程控制相对简单，生产成本低。

 2.  固体熔融法

固体熔融法也叫固相法、玻璃粉末法，是以二氧化硅（石英砂）为原材料，加入碳酸钠、碳酸钙和硼酸盐等辅料，在熔炉内高温熔制玻璃，再把玻璃研磨成粉末进行空心成球。固体熔融法以传统的生产玻璃的工艺先熔制玻璃，混合料在1400℃以上的高温炉内经过硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液的澄清、均化和冷却等完整过程，形成的玻璃均匀纯粹，性能稳定。空心成球的过程是玻璃粉末中空薄壁结构的形成，主要涉及玻璃的形态转化和形状改变，与其它各种形状玻璃制品制备的过程相类似。固体熔融法需要高温熔制玻璃，产品生产周期长，工艺过程控制难度大，能源消耗较高，生产成本高

两种生产工艺对比如下：

电炉内1200℃加热实验

（a）                                                         (b)

图（a），固体熔融法生产的空心玻璃微珠，在电炉内1200℃恒温30分钟，产品受热软化，均匀的玻璃质各方向同等收缩，在坩埚内形成平整圆饼形状。

图（b），液体干燥法生产的空心玻璃微珠，在电炉内1200℃恒温30分钟，产品受热继续发生硅酸盐反应，表面可见由反应产生的气体排出而形成的凹陷和孔洞。

三、不同工艺生产的产品区别

圣莱特经过十余年空心玻璃微珠的研究，对产品组成、玻璃熔制和成球工艺进行了大量实验，深入研究生产工艺及所生产的产品性能；比较两种生产工艺，产品区别可以概括为以下几点：

产品玻璃化程度：固体熔融法经过数小时的高温玻璃熔制过程，产品完全玻璃化；液体干燥法成型温度低、反应时间短，缺少完整的玻璃形成过程，产品玻璃化程度低，只有部分玻璃质成分。

产品微观形态:固体熔融法，玻璃中各氧化物分子相互交联形成均匀的分子网络结构；液体干燥法，原料经过硅酸盐反应，形成玻璃质和硅酸盐烧结物的混合物，玻璃质中夹杂未熔原料。化学稳定性：固体熔融法，完全玻璃化的产品是惰性材料，产品化学稳定性高，与其它材料相容性好；液体干燥法，产品中残留有未分解的无机盐原料，容易析出和引起产品粉化分解。

热稳定性：固体熔融法，产品耐高温、耐腐蚀；液体干燥法，产品易吸潮结块、高温易分解。

产品强度：固体熔融法生产的产品强度高；液体干燥法生产的产品强度低。

电炉内1200℃加热实验

固体熔融法生产的产品性能优异，与其它材料的相容性更好，同时产品粒径控制精确，在复合材料生产中具有突出的优势，得到更广泛的应用，比如：

1、在有混炼和高剪切力的注塑和挤出加工中，空心玻璃微珠的破碎率可以控制在7%以下，加工工艺调配得当还可以控制在3%以下，而其它产品的破碎率通常接近20%。

2、与基体材料更好的相容性和分散性，使复合材料具有更均质和更高的强度，也使复合材料具有更好的充模和脱模性能。

3、涂料、胶体等需要耐受自然环境变化的材料具有更好的耐老化性能，获得持久稳定的性能表现。4、固体浮力材料具有更高的强度和更低的吸水率，适应更深海域作业需要。

液体干燥法生产成本低，产品大多应用在一些不需要耐受高强度的应用场合，或者生产一次性使用的材料，比如模具加工材料。

提升材料性能和扩展材料应用领域是新材料发展的方向，圣莱特将持续加强技术研发，提高产品的性价比，助力各行业的降本增效，为空心玻璃微珠在复合材料中的应用提供技术解决方案和应用工艺支持。