保温隔热材料具有较低的热传导率，能够阻挡热量传递。常见的无机保温材料包括：空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩和岩棉[1]。空心玻璃微珠是一种兼具反射型保温和隔热型保温的材料，其导热系数在0.051 2~0.093 4 W/(m·K)之间[2]。陈金伟等[3]将高性能的空心玻璃微珠作为填充剂加入聚丙烯，得到具有低密度、高保温特性的保温隔热材料。空心玻璃微珠添加量为25%时，聚丙烯复合材料的隔热性能最佳。靳涛等[4]成功制备具有高强度、低导热系数、高防火等级的聚苯乙烯/空心玻璃微珠复合材料。结果表明：与其他无机隔热材料相比，空心玻璃微珠填充量为8%的隔热材料具有更好的隔热效果，二者温差可达6.5 ℃。聚氯乙烯(PVC)作为一种耐腐蚀、成本低的聚合物，已经在热水管、排水管、供暖水管等建筑领域中具有广泛的应用[5-6]。目前，已有研究将空心玻璃微珠加入PVC材料中，以提高PVC材料的力学性能、阻燃性能等。但是对PVC/空心玻璃微珠复合材料的保温性研究较少。本实验通过对空心玻璃微珠表面进行改性，以提高空心玻璃微珠和PVC基体之间的相容性，利用熔融挤出工艺制备PVC/空心玻璃微珠复合材料，研究空心玻璃微珠添加量对PVC/空心玻璃微珠复合材料保温性能的影响，并研究复合材料的力学性能和阻燃性能，为空心玻璃微珠的保温性研究提供新思路。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，注塑挤出型，余姚市凯鸽塑化有限公司；硅烷偶联剂(KH-570)，SG5，分析纯，济南金辉化工有限公司；N-N二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，国药制药有限公司；空心玻璃微珠，SiO2纯度72%，浩德保温材料有限公司；四氢呋喃(THF)，分析纯，天津永大化学试剂有限公司。1.2仪器与设备球磨机，TJGN-450，天津市东方天净科技发展有限公司；双螺杆挤出机，SJSZ，晨兴机械有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，EVO18，北京普瑞赛斯仪器有限公司；X射线衍射仪(XRD)，EQUINOX 3000，津工仪器科技（苏州）有限公司；热导率系数测试仪，TPS2500，雄迈电子科技贸易有限公司；激光脉冲闪光导热仪，LFA 127，科士达电子科技有限公司。极限氧指数仪(LOI)，LBT-4328，东莞市道滘莱博特仪器设备厂；垂直燃烧仪，HZ-DG，深圳市汇中测控设备有限公司；电子万能试验机，WD-1H，山东万辰试验机有限公司。1.3样品制备空心玻璃微珠的改性：将50 g空心玻璃微珠和5 mL偶联剂KH-570混合，加入250 mL蒸馏水，采用磁力搅拌器加热搅拌（60 ℃、400 r/min），反应60 min后降至室温并抽滤。将滤饼放入80 ℃烘箱中加热干燥，获得改性空心玻璃微珠。PVC/空心玻璃微珠复合材料的制备：表1为不同PVC/空心玻璃微珠复合材料的配方。将PVC和改性空心玻璃微珠放入球磨机研磨混合3 h；将混合材料放入双螺杆挤出机，设定挤出机5个机组温度(125、140、145、160、155 ℃)和机头温度(150 ℃)，利用配套颗粒切割机，将挤出PVC/空心玻璃微珠切割成粒径为1~2 mm的颗粒。将复合材料采用模压成型工艺制成尺寸相同的试样。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.T001表1不同PVC/空心玻璃微珠复合材料的配方Tab.1Formula of different PVC/aramid fiber glass composites样品PVC空心玻璃微珠PVC1000PVC/2%空心玻璃微珠982PVC/5%空心玻璃微珠955PVC/10%空心玻璃微珠9010PVC/15%空心玻璃微珠8515PVC/20%空心玻璃微珠8020gg1.4性能测试与表征SEM分析：将复合材料进行喷金处理，电压15 kV。XRD测试：测试速度2 (°)/min，测试电压40 kV，电流40 mA。热扩散系数测定：按GB/T 22588—2008进行测试。导热系数测定：按GB/T 3139—2005进行测试，试样尺寸30 mm×20 mm×5 mm。隔热性能测试：（1）将不同配比的PVC/空心玻璃微珠切割成直径10 cm、厚度1 cm的圆形材料。设定加热器温度为90 ℃，在0和10 min时测量空气侧表面温度。（2）选用250 W的红外线取暖灯照射复合材料，在复合材料下表面放置测温系统，设定每15 min测量一次温度，检测2 h。LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试。垂直燃烧测试：按GB/T 2408—2008进行测试。拉伸强度测试：按GB/T 1040—1992进行测试。弯曲强度测试：按GB/T 9341—2008进行测试。2结果与讨论2.1PVC/空心玻璃微珠复合材料的SEM分析图1为改性空心玻璃微珠及不同PVC/空心玻璃微珠的SEM照片。从图1a可以看出，改性空心玻璃微珠的球形颗粒粒径在10~20 μm之间，发生团聚。从图1b可以看出，PVC材料表面光滑，无裂纹。从图1c~图1e可以看出，空心玻璃微珠在PVC材料中均匀分散，经过KH-570改性的空心玻璃微珠能够较好嵌入PVC材料。从图1f和图1g可以看出，随着空心玻璃微珠添加量的增加，较大添加量的空心玻璃微珠与PVC材料结合紧密，由此说明通过偶联剂改性的空心玻璃微珠与PVC材料较好结合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F001图1改性空心玻璃微珠及PVC/空心玻璃微珠复合材料的SEM照片Fig.1SEM images modified hollow glass microspheres and PVC/hollow glass microspheres composites图2为PVC及PVC/空心玻璃微珠复合材料的XRD谱图。从图2可以看出，纯PVC图谱中没有出现明显的尖锐衍射峰，仅在21°左右出现一个小峰，表明纯PVC材料是一种非晶结构。PVC/空心玻璃微珠复合材料在20.3°、25.9°、28.8°存在明显的尖锐峰，分别对应二氧化硅的(-121)、(-131)和(040)的特征衍射峰，证明复合材料体系中存在空心玻璃微珠[7]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F002图2PVC及PVC/空心玻璃微珠的XRD谱图Fig.2XRD patterns of PVC and PVC/hollow glass microspheres2.2PVC/空心玻璃微珠复合材料的热导率和热扩散系数图3为不同比例的PVC/空心玻璃微珠的热导率。从图3可以看出，PVC复合材料热导率明显增加。当空心玻璃微珠添加量在10%以内，PVC复合材料的热导率变化幅度较小。当空心玻璃微珠添加量为15%，PVC复合材料的热导率增至0.371 3 W/(m·K)。空心玻璃微珠添加量≤10%时，空心玻璃微珠在PVC材料中分布不连续，热量在PVC复合材料传递过程中主要依靠PVC，传递效率较低。空心玻璃微珠添加量10%时，空心玻璃微珠形成连续体系，使热量在空心玻璃微珠之间传递。空心玻璃微珠的热导率较高，使PVC复合材料的热导率增加。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F003图3空心玻璃微珠的含量对PVC/空心玻璃微珠热导率的影响Fig.3Effect of the content of hollow glass microspheres on thermal conductivity of PVC/hollow glass microspheres表2为不同配方下PVC/空心玻璃微珠的热扩散系数。从表2可以看出，纯PVC的容重为85 g/cm³，热扩散系数室温下为3.1 mm²/s，热导率为0.169 1 W/(m·K)。当空心玻璃微珠的添加量为10%，PVC复合材料的热扩散系数为4.9 mm²/s，导热系数为0.276 8 W/(m·K)，表明其具有良好的隔热性能。当空心玻璃微珠添加量10%，PVC复合材料的热扩散系数和导热系数均明显增加，隔热效果降低。空心玻璃微珠具有特殊的中空结构，使其热传导作用不明显，其传热效果较差，使PVC/空心玻璃微珠复合材料的保温性能较低[8-9]。当空心玻璃微珠添加量增加后(10%)，由于空心玻璃微珠之间贴合紧密，加速热量在空心玻璃微珠之间的热传递，导致复合材料的热导率增加。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.T002表2不同PVC/空心玻璃微珠的容重和热扩散系数Tab.2Bulk density and thermal diffusivity of different PVC/hollow glass microspheres样品容重/（g·cm-³）热扩散系数/（mm²·s-1）PVC853.1PVC/2%空心玻璃微珠924.2PVC/5%空心玻璃微珠1014.8PVC/10%空心玻璃微珠1084.9PVC/15%空心玻璃微珠1135.3PVC/20%空心玻璃微珠1195.52.3PVC/空心玻璃微珠复合材料的隔热性能表3为不同PVC/空心玻璃微珠的表面温度和温度差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.T003表3不同PVC/空心玻璃微珠的表面温度及温度差Tab.3Surface temperature and temperature difference of different PVC/hollow glass microspheres样品T0T10 minΔTPVC31409PVC/2%空心玻璃微珠314413PVC/5%空心玻璃微珠314514PVC/10%空心玻璃微珠314615PVC/15%空心玻璃微珠324917PVC/20%空心玻璃微珠325321℃℃从表3可以看出，当PVC/空心玻璃微珠放置于加热器时温度较低，表明PVC/空心玻璃微珠具有较好的隔热作用。将PVC材料放置一段时间，其表面温度增加。空心玻璃微珠的添加量大，隔热降低，当空心玻璃微珠的添加量10%，隔热效果较差。对不同PVC/空心玻璃微珠进行热辐照，测量非辐照面的温度，图4为测量结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F004图4热辐照不同时间下PVC/空心玻璃微珠温度Fig.4Temperature of PVC/hollow glass microspheres irradiated at different time从图4可以看出，随着热辐照时间的增加，PVC/空心玻璃微珠的温度增加。当空心玻璃微珠添加量低于10%，PVC/空心玻璃微珠的隔热效果较好；而空心玻璃微珠添加量超过10%，PVC/空心玻璃微珠的温度增加明显，隔热效果较差。结果表明：适量的空心玻璃微珠作为增强体加入PVC材料，复合材料热导率增加程度较小，过多的空心玻璃微珠由于在PVC基体中形成连续结构，使体系热传导速率增加，从而影响PVC材料的隔热性能。2.4PVC/空心玻璃微珠复合材料的阻燃性能和力学性能图5为不同空心玻璃微珠含量的PVC/空心玻璃微珠的LOI值。从图5可以看出，纯PVC的LOI值最低。空心玻璃微珠使PVC复合材料的LOI值增加；当空心玻璃微珠添加量10%，复合材料的LOI值降低。由于空心玻璃微珠促进炭层形成，提高复合材料与空气之间隔离作用，提高复合材料的阻燃性能[10]。空心玻璃微珠添加量10%，由于空心玻璃微珠较多，不能使复合材料形成稳定炭层。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F005图5不同 PVC/空心玻璃微珠的LOI值Fig.5LOI values of different PVC/hollow glass microspheres表4为PVC/空心玻璃微珠的燃烧状态和燃烧等级。从表4可以看出，复合材料的自燃时间发生明显降低，燃烧低落现象也明显改善。但是，空心玻璃微珠在燃烧过程中脱落。当空心玻璃微珠添加量10%，脱落状态明显。空心玻璃微珠的脱落破坏炭层，使PVC与空气相接触。PVC/10%空心玻璃微珠燃烧时不出现滴落和较少的空心玻璃微珠脱落，UL-94等级为V-0，适合于建筑材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.T004表4不同 PVC/空心玻璃微珠的燃烧状态以及燃烧等级Tab.4Combustion status and grade of different PVC/hollow glass microspheres样品着火时间/s滴落状态空心玻璃微珠状态垂直燃烧等级PVC30滴落——PVC/2%空心玻璃微珠25滴落无脱落—PVC/5%空心玻璃微珠19滴落较少脱落V-0PVC/10%空心玻璃微珠10无滴落较少脱落V-0PVC/15%空心玻璃微珠8无滴落明显脱落V-0PVC/20%空心玻璃微珠5无滴落严重脱落V-1图6为不同PVC/空心玻璃微珠的拉伸强度与弯曲强度。从图6可以看出，随着空心玻璃微珠添加量的增加，PVC/空心玻璃微珠的拉伸强度和弯曲强度均先增加后降低，空心玻璃微珠添加量为10%时达到最大。空心玻璃微珠能够改变复合材料受力时出现裂纹的扩展方式，消耗更多能量，提高PVC/空心玻璃微珠的力学性能。空心玻璃微珠的添加量继续增加(10%)，复合材料力学性能降低。由于过量空心玻璃微珠破坏PVC基体连续相，导致复合材料力学性能降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.007.F006图6不同 PVC/空心玻璃微珠的拉伸强度与弯曲强度Fig.6Tensile strength and bending strength of different PVC/hollow glass microspheres3结论（1）KH-560改性的空心玻璃微珠能够与PVC较好结合，空心玻璃微珠在PVC中均匀分散，与PVC结合紧密。（2）将改性空心玻璃微珠与PVC混合制备具有较低热导率的PVC/空心玻璃微珠复合材料，10%空心玻璃微珠的引入使PVC材料仍具有较低的热扩散系数和热导率。（3）10%添加量的PVC/空心玻璃微珠复合材料具有较高的隔热效果且力学性能和阻燃性效果最佳，因此可以有效用于建筑设施。