装配式建筑的外墙板通常采用加气混凝土、陶粒混凝土、泡沫混凝土和普通混凝土等材料[1]，墙体亲水，易渗漏、发霉。并且墙体存在施工难度大、成本较高、保温隔热性能差等问题[2-3]，需要添加保温层材料解决这些难题。高分子保温材料具有质轻、保温、耐腐蚀和耐候性等特点，被广泛应用于保温节能工程[4-6]。高分子保温材料主要包括硬质聚氨酯泡沫塑料[7]、聚苯乙烯泡沫塑料[8]、酚醛树脂泡沫塑料[9]等。其中，高密度聚乙烯(HDPE)具有廉价、耐候、疏水、易加工等特点，是理想的保温层材料[10-11]。随着居民生活水平提高，对墙体功能化水平提出更高要求。空心玻璃微珠(HGB)是具有中空、薄壁结构的微米级的球状粉末[12]，能够提高聚合物的隔热性能和力学性能[13]。本实验以发泡HDPE为原料，与表面改性的HGB混合，在不降低HDPE疏水性能的前提下提高其发泡隔音性能、隔热性能和力学性能，制备适用于内墙保温材料的功能改性发泡HDPE材料。1实验部分1.1主要原料高密度聚乙烯(HDPE)，5502，韩国大林实业有限公司；空心玻璃微珠(HGB)，5019，平均粒径55 μm，浙江海岳新材料有限公司；中温发泡剂，SJ160，浙江舜泰橡塑科技有限公司；硅烷偶联剂，自制。1.2仪器与设备平板硫化机，CTE-20，科倍隆科亚（南京）机械有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，FTS 6000，上海伯乐生命医学产品有限公司；电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统（中国）有限公司；冲击试验机，ZBC1400-B，美特斯工业系统（中国）有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Verios 460，美国FEI公司；全自动单一纤维接触角测量仪，OCA200，德国dataphysics公司；平板法导热仪，JB，上海久滨仪器有限公司；隔声性能检测仪，JKY-DWSP，北京建科源科技有限公司。1.3样品制备1.3.1改性玻璃微珠（mHGB）的制备称取5.0 kg HGB在100 ℃下烘干3 h备用。称取50 g自制的抑菌硅烷偶联剂(偶联剂制备方法见文献[14])与200 mL水混合。将偶联剂水溶液与HGB进行混合，倒入高速搅拌机，在80 ℃下搅拌15 min后冷却，将产物放入100 ℃烘箱中烘干4 h得到改性玻璃微珠(mHGB)。1.3.2HDPE保温层的制备表1为HDPE保温层材料配方。将HDPE和添加剂(HGB、mHGB和发泡剂)按照表1的比例进行混合，在高速搅拌机中搅拌20 min。将混合物倒入平板硫化机，温度设定180 ℃，压力14 MPa，样品处理时间为15 min。此过程中，开模三次将发泡过程中的气体溢出。待样品自然冷却，得到HDPE保温层材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.T001表1HDPE保温层材料配方Tab.1Material formula of HDPE insulation layer样品编号HDPEHGBmHGB发泡剂099.5000.5A196.5300.5A293.5600.5A390.5900.5A487.51200.5B196.5030.5B293.5060.5B390.5090.5B487.50120.5%%1.4性能测试与表征FTIR测试：测试范围为600~3 600 cm-1。力学性能测试：拉伸强度按GB/T 1040.1—2018进行测试，抗压性能按GB/T 1040.2—2006进行测试，样品尺寸80 mm×10 mm×4 mm。SEM分析：对样品表面喷金处理，观察样品表面形貌。隔音性能测试：按GB/T 19889.3—2005进行测试，样品尺寸200 mm×200 mm，分别在250、500、750、1 000、1 250、1 500 Hz下测试HDPE保温层材料对不同频率振动的吸收能力，传声器总声压为100 dB。导热系数测试：样品直径为15 cm的圆盘，热面从常温以10 ℃/min升温至60 ℃，加热功率为22 W，加热器面积为150 mm2。记录加热过程中冷面与热面中心温差，取实验记录最后5点数据的平均值。接触角测试：按ISO15989—2004进行测试。2结果和讨论2.1FTIR分析图1为HGB、mHGB和0、B3样品的FTIR谱图。从图1a可以看出，mHGB在2 872 cm-1、2 808 cm-1处出现两个新吸收峰，为硅烷偶联剂的C—H键伸缩振动峰；1 444 cm-1处峰强度略微增加；在832 cm-1处出现新特征峰，分别为硅烷偶联剂的Si—OH和Si—O—C键的弯曲振动峰，表明硅烷偶联剂被成功接枝HGB。从图1b可以看出，0号在2 919、1 412以及856 cm-1处的特征峰为PE的特征峰，分别对应—CH2—不对称伸缩振动、—CH2—弯曲振动以及C=CH2面外变形振动。B3在832 cm-1、1 444 cm-1处出现新的特征峰，分别为偶联剂分子中Si—OH和Si—O—C键的弯曲振动峰，说明mHGB与PE分子之间产生较好的键合作用，可以改善其界面作用，表现较好的力学性能。图1HGB、mHGB和0、B3样品的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of HGB， mHGB and 0， B3 samples10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F1a1（a）HGB和mHGB10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F1a2（b）0和B3样品2.2力学性能分析图2为不同HDPE保温材料的抗压强度和拉伸强度。从图2a可以看出，随着HGB、mHGB含量的提高，HDPE保温材料抗压强度均呈现先增加后下降的趋势，A3和B3样品达到最佳值。A3的抗压强度从0号的25.6 MPa增加至35.6 MPa，而B3的抗压强度从25.6 MPa增加至38.4 MPa，说明mHGB与HDPE具有更好的黏结作用，由于mHGB中较多的官能团可以接枝在HDPE，界面强度较强。受弯曲应力时，mHGB与HDPE界面会剥离，吸收部分应力，提高HDPE保温层材料的抗压强度。同比例下，B组抗压强度均大于A组。此外，mHGB含量较高时，过量的mHGB出现局部团聚会使HDPE基体产生应力集中而发生破裂，降低HDPE抗压强度。从图2b可以看出，随着HGB含量增加，HDPE保温层材料拉伸强度逐渐降低，0号至A4的拉伸强度从18.2 MPa降至15.9 MPa；而随着mHGB含量的提高，HDPE保温层材料拉伸强度呈现先增加后降低的趋势，B3的拉伸强度最大为20.3 MPa。这是因为mHGB表面较多的官能团可以与HDPE产生更好的界面作用，能够吸收HDPE受拉伸应力时的部分应力。而HGB与HDPE之间的界面作用较差，与HDPE的结合处会形成较大的间隙，使HDPE保温材料的拉伸强度下降。而B4样品中过量的mHGB在HDPE中发生团聚使HDPE出现一定的裂痕，使HDPE拉伸强度下降。因此，添加mHGB的HDPE保温层的力学性能优于添加HGB的HDPE保温材料。图2不同HDPE的抗压强度和拉伸强度Fig.2Compressive strength and tensile strength of different HDPE10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F2a1（a）抗压强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F2a2（b）拉伸强度2.3SEM分析图3为纯HDPE、B1、B2、B3和B4保温材料的SEM照片。从图3a可以看出，纯HDPE保温材料表面较光滑，无多余的颗粒物附着。从图3b~图3e可以看出，加入不同含量的mHGB，HDPE保温复合材料的表面出现较多的凸起物，这是mHGB与HDPE进行混融引起的，说明复合材料成功制备。B1中mHGB含量较低，其与HDPE形成的表面较光滑，并且表面凸起较少。但由于mHGB含量较少不能够与HDPE基体形成较好的相容界面，表面出现部分凸起。B2的表面较光滑，凸起更多。B3中HDPE可以与mHGB形成较好的相容界面，mHGB均匀分散在基体中，表面光滑，没有明显凸起，说明在此配方下HDPE保温材料具有最佳的界面相容性。而随着mHGB含量继续增加，过量的mHGB发生团聚，使HDPE保温材料在形成过程中发生破裂，其力学性能下降。结合力学性能与SEM分析，B3样品力学性能最佳，可以有效用于保温层材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F003图3不同HDPE保温层材料的SEM照片Fig.3SEM images of different HDPE insulation materials2.4隔音性能分析图4为不同的HDPE保温层材料对不同频率声波的吸收性能的测试结果。从图4a可以看出，添加HGB的HDPE保温材料的吸音性能均优于纯HDPE材料，A3达到最佳。从图4b可以看出，B3达到最佳的吸音性能。这是因为适量的HGB可以有效增强HDPE材料内部的气密性，并且限制HDPE基体中大分子链运动，增加黏滞效应，从而有效减少声波在HDPE中透射[15]。此外，相同比例下，添加mHGB的HDPE保温材料的隔音性能优于添加HGB的HDPE保温材料。这是由于mHGB与HDPE基体之间具有较好的界面相容性，其表面密度高于含有HGB的HDPE保温材料。并且HDPE与mHGB之间的声阻抗具有较大差异，声波可以在两者界面处形成较大的反射与损耗，因此其隔音性能逐渐增强[16]。而A4和B4中，由于HGB和mHGB含量较多，在HDPE中形成严重的团聚，使隔音性能下降。添加mHGB的HDPE保温材料的力学性能以及隔音效果均优于未改性HGB的HDPE保温材料，因此在建筑墙体保温材料中具有更好的适用性。因此，在后续测试中，仅对添加mHGB的HDPE保温材料性能分析。图4不同HDPE保温材料的隔音性能Fig.4Sound insulation performance of different HDPE insulation materials10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F4a1（a）添加HGB的HDPE保温材料10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F4a2（b）添加mHGB的HDPE保温材料2.5隔热性能分析图5为不同HDPE保温材料的隔热性能。从图5可以看出，未添加mHGB时，HDPE保温层材料导热系数较高，为0.066 W/(m·K)。随着mHGB含量增大，HDPE保温层材料导热系数均逐渐降低，且B3达到最低值为0.051 W/(m·K)，说明B3样品具有最佳的保温性能。这是因为B3中mHGB在HDPE中分散最好，在发泡过程中具有更好的发泡效果，热能难以被传导，表现最佳的导热性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F005图5mHGB含量对HDPE保温材料隔热性能的影响Fig.5The influence of mHGB content on the thermal insulation performance of HDPE thermal insulation material2.6疏水性分析图6为mHGB含量对HDPE保温材料接触角的影响。从图6可以看出，添加mHGB的HDPE保温材料的接触角相比0号均未发生下降，其接触角均大于150°，说明样品均表现超疏水性能，具有较好的隔水性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.006.F006图6不同HDPE保温材料的接触角Fig.6The contact angle of different HDPE insulation material3结论硅烷改性后的HGB与HDPE界面结合作用较好，添加mHGB的HDPE保温材料的力学性能以及隔音性能均优于添加HGB的HDPE保温材料。B3的拉伸强度与抗压强度最佳，分别为20.3 MPa和38.4 MPa，可以有效用于建筑隔音材料。B3具有最低的导热系数0.051 W/(m·K)，说明其保温隔热性能较好，并且其具有优异的疏水性能，提高其实际应用的耐久性。因此，B3样品可以有效用于建筑墙体保温材料。