空心微球质量表征及检验方法.pdf

汪光辉（1985），男，高级工程师，243000 安徽省马鞍山市。空心微球质量表征及检验方法汪光辉1，2柳雷1，2刘亚辉1，2（1.中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）摘要空心微球是一种轻质、高强、中空的多功能无机非金属玻璃材料，具有导热系数低、介电常数低、耐压强度高及流动性好等特点，广泛应用于航空航天、油气资源开采、汽车轻量化、轻质复合材料等领域。国内质量表征手段仍依赖于各厂家内部或其他粉体材料标准，无统一、高效的质量表征方法。从空心微球实际研发、工业化生产和应用技术角度出发，总结了适用于分析密度、粒度、耐压强度、漂浮率和导热系数相关的质量表征与测试方法，为空心微球研发、生产和应用提供借鉴。关键词空心微球质量表征耐压强度导热系数DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.09.062Quality Characterizations and Inspection Methods for Hollow Glass MicrospheresWANG Guanghui1，2LIU Lei1，2LIU Yahui1，2（1.Sinosteel Maanshan New Material Technology Co.，Ltd.；2.Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co.，Ltd.）AbstractHollow glass microspheres are a light-weight，high-strength，multifunctional inorganicnon-metallic glass material with low thermal conductivity，low dielectric constant，high compressivestrength and good fluidity，which are widely used in aerospace，oil and gas resource extraction，automotivelight-weighting and lightweight composite materials.The domestic quality characterization methods still relyon the internal or other powder material standards of each manufacturer，and there is no unified and efficientquality characterization method.From the perspective of actual research and development，industrial production and application technology of hollow glass microspheres，the quality characterization and testingmethods suitable for the analysis of density，particle size，compressive strength，flotation rate and thermalconductivity are summarized，which can provide reference to research and development，production and application of hollow glass microspheres.Keywordshollow glass microspheres，quality characterizations，compressive strength，flotation rate总第 653 期2023 年 9 月第 9 期现代矿业MODERN MININGSerial No.653September.2023无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物等以及硅酸盐、铝酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称，与两者并列三大材料之一。空心微球（HGMS）是一种轻质、高强、中空的多功能无机非金属玻璃材料，属于国家鼓励并支持优先发展的新型战略新材料，具有导热系数低、介电常数低、耐压强度高及流动性好等特点。空心微球作为一种先进轻质无机非金属材料，广泛应用于航空航天、油气资源开采、汽车轻量化、轻质复合材料等领域。随着空心微球行业及应用技术发展，其质量表征测试方法对于推动行业技术进步和应用推广具有重要意义。本文从空心微珠生产技术和下游应用领域对密度、粒度、耐压强度、漂浮率、导热系数、吸油率等表征方法进行分析，总结适用于空心微球的质量表征与测试方法，以期为空心微球研发、生产和应用提供借鉴。1密度1.1堆积密度堆积密度分为松装密度和振实密度，是表征粉体产品质量的重要参数，也是设计粉体传输、仓储等设备的参考依据。空心微球堆积密度和振实密度是实用技术257现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期与空心微球颗粒尺寸、形貌及其尺寸分布和含水率有关的可测量的宏观特性之一，也是空心微球产品生产与应用最常用的质量控制参数1。（1）松装密度测试方法为把已知质量的空心微球自由填充于量筒等容器中，在填充完成后测得体积，即可得出松装密度。（2）振实密度测试方法为把已知质量的空心微球自由填充于量筒等容器中，通过上下震动敲击砧座，使量筒内的粉体被逐渐振实，待其体积不再发生变化时测得体积，即可得振实密度2。空心微球作为一种具有优异流动性的粉体材料，其堆积密度的有效控制不仅可以降低实际生产、包装和运输成本，同时可以降低其团聚的概率并提升生产效率。为解决空心微球包装系数低、聚团和生产效率等问题，研究开发出提高轻质粉体材料堆积密度的设备并成功应用于生产、仓储和运输过程3。根据2018年2022年生产统计数据可知，仓储运输过程中空间的利用率提高18%以上，聚团发生的概率减少50%以上。1.2真密度空心微球真密度是空心微球最重要的指标之一，也称为骨架密度。不同于其他粉体材料，空心微球是密闭中空球体，其真密度包含封闭的中空部分。测试仪器为真密度仪，依据阿基米德原理和理想气态方程进行表征4。具体测试步骤如下：（1）首先采用高精度分析天平称取一定质量的空心微球样品，将样品放入固定体积测试容器中，从而引起容器中气体容量的变化。（2）通过气体膨胀置换法测试所排出的气体，即可得到空心微球的体积，根据样品的质量和体积从而计算出真密度。空心微球以其特殊的轻质结构广泛应用于油气资源开采、复合材料、胶黏剂等行业，真密度性能是保证其在不同行业具有良好适用性的基础5-6。空心微球工业化产品真密度指标的稳定性也是表征其质量的重要指标之一，相对于李氏密度瓶测量空心微球的真密度，真密度仪测试空心微球效率高（单个密度测试时间510 min），误差0.02%。该测试方法已广泛应用于空心微球等粉体材料研发、工业化生产和下游应用领域，推动了原材料的检测、应用技术进展。2粒度空心微球粒度指其粒度分布，多为符合一定分布的微米级颗粒，常用D10，D50，D90，D97，Dmax作为主要参数进行表征。根据激光衍射法，采用激光粒度分析仪进行测试7。首先将样品以合适浓度分置于溶剂中，形成悬浊液，将含有颗粒样品的悬浊液在激光粒度仪的内部流转，当其被激光照射后产生不同角度的散射，随后仪器内置的程序将该过程转化为某一粒径段上的颗粒体积百分比，从而得到空心微球的粒径分布。空心微球应用领域广泛，不同领域对其粒度分布需求不同，故该性能的测试与表征是影响其使用的重要因素之一。例如，在复合材料领域，空心微球粒径小的产品制备的复合材料体系优于粒径大的产品8-9。近年来，以丹东百特、珠海欧美克等厂家为代表的国产激光粒度仪技术已趋于成熟，不同空心微球样品分别采用丹东百特2600、欧美克Top sizer、马尔文2000、马尔文3000激光粒度仪进行测试，测试的粒径D50结果如图1所示。3抗压强度空心微球的抗压强度又称为抗等静压强度、耐压强度，是指空心微球承受某一特定压力的均匀外力，而保持完整而不发生破碎，该压力数值的最大值即为耐压强度。空心微球为密闭空玻璃质空心球体，在规定的压力下保持恒压固定时间，其承压后密度的变化来测定耐压强度6，10-11。具体检验步骤：（1）首先取 25 g的空心微球样品，测试真密度后放入样品室中，将样品室放进高压仓，锁紧高压仓螺栓。（2）采用气体或者液体作为介质，使高压仓内压力达到所设定的压力值，恒压固定时间后，卸去压力，取出样品，测试其承压后真密度。（3）根据空心微球样品在承压前后真实密度测试结果，计算公式为r=0(2-1)2(0-1)100，式中，r为规定条件下的破碎率，%；0为空心微球样品完全破碎下的真密度，g/cm3；1为空心微球样品的承压前密度，g/cm3；2为空心微球样品的承压后密度，g/cm3。258汪光辉柳雷等：空心微球质量表征及检验方法2023 年 9 月第 9 期空心微球拥有优异的抗压强度，该性能是其广泛应用并保证应用效果的基础。国内外主流空心微球厂家的均以该方法为主，其中个别厂家以水为介质进行强度测试，但存在烘干过程时间过长，样品容易流失等缺点。在油气资源开采领域，空心微球作为减轻剂应用于水泥浆、钻井液，需要承受数千米的压力而保持完整而不发生破碎；在汽车SMC领域，在制备SMC制品过程中空心微球往往需要承受极大的设备压力而保持稳定6，12。应用方往往根据添加空心微球制备的最终产品的密度反推其破碎或判断其是否符合使用要求，该方法效率低、准确性差且不利于生产线实时检测（图2、图3）。4漂浮率空心微球的体积漂浮率是研发、生产和应用过程中简单而直观的表征其空心率的性能指标。空心微球由玻璃质球壳和壳内空心部分组成，玻璃质球壳的真密度往往2.0 g/cm3，而正常发泡的空心微球密度往往1.0 g/cm3 6。测试步骤如下：（1）取适量体积的空心微球颗粒，置于带有刻度的容器中（常用量筒或异径量筒，刻度的精确性与测试的准确性息息相关）。（2）容器中加入适量体积的蒸馏水，充分混合后，静置一定时间。（3）容器底部空心微球的体积占总样品体积的比值即为其体积漂浮率，计算公式如下：F=V1V1+V2 100，式中，F为空心微球的体积漂浮率，%；V1为上浮的空心微球体积，ml；V2为下沉的空心微球体积，ml。空心率是空心微球最基本性能指标之一，其既可直观地表达生产过程中质量的稳定性，也可给研发、生产及下游客户提供最简单、高效的表征方法。5导热系数空心微球是壁厚为0.052 m的密闭空心球体，粒径分布为2150 m，极高的空心率使其传热方式以气相传热为主、固相传热为辅，从而形成了优异的低导热性能，广泛应用于涂料、建筑保温材料、石油管道等领域13。导热系数测试方法分为热线法、瞬态平面热源测试法、闪光法、纵向热流法等14-17。测试步骤如下：（1）先将样品在烘箱中充分干燥以去除水分。（2）取一定数量样品，按要求放置于导热系数仪粉体专用测试容器中。（3）接通电源，记录温升曲线，计算导热系数。随着“碳中和”、“碳达峰”目标的提出与实施，保温隔热类材料迅猛发展。作为低导热填料的新型材料，以空心微球作为主要功能填料的保温隔热材料工业化应用飞速发展。6结语国内空心微球部分质量表征手段仍依赖于各厂家内部或其他粉体材料标准，建立统一、高效的质量表征方法仍需该领域厂家继续努力。经过十余年生产、研发及应用技术开发工作经验的探索，已探索出适宜于空心微球高效、精准的质量表征方法，建立了规范化的表征手段和内容。参考文献1吴成宝，胡小芳，段百涛.粉体堆积密度的理论计算 J.中国粉体技术，2009，15（2）:76-81.2全 国 颗 粒 表 征 与 分 检 及 筛 网 标 准 化 技 术 委 员 会.GB/T31057.22018 颗粒材料物理性能测试第2部分:振实密度的测量 S.北京:中国标准出版社，2019.3许传华，汪光辉，刘亚辉，等.提高轻质粉体材料堆积密度的设备及使用方法:ZL201711206161.6 P.2023-03-28.4全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会.GB/T404012021 骨架密度的测量气体体积置换法 S.北京:中国标准出版社，2021.5黄纬，衣亚东，吴平伟，等.成型方法对高HGMs体积分数固体浮力材料性能的影响 J.复合材料科学与工程，2022（12）:75-78，123.6柳雷，许传华.国产空心玻璃微珠超低密度水泥浆研究 C/2016年固并技术研讨会论文集.北京:石油工业出版社，2016:466-471.7全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会.GB/T19077-2016 粒度分布激光衍射法 S.北京:中国标准出版社，2016.8刘福，肖艳丽，王国芝，等.空心玻璃微珠对乘用车专用阻尼材料性能的影响 J.中国塑料，2017，31（2）:21-26.（下转第277页）259王忠海杨长安：湖南某选矿厂多碎少磨工艺装备配置优化2023 年 9 月第 9 期由表3可知，相对于单个磨机而言，2系列的二段球磨机利用系数相对较小；从磨矿分级回路利用系数来看，第二段磨矿分级回路利用系数还有很大的改善余地；目前第二段磨机容量为260280 kVA，占最大额定值的65%左右，据此可进一步改善1 500 t/d选厂的磨矿分级工艺。5.2磨矿分级工艺流程优化针对选厂磨矿细度-0.074 mm80%的工艺条件，根据上述分析，对磨矿分级系统进行优化，优化后工艺流程见图2。5.3一段分级溢流细度调整为使磨矿分级优化后各项指标能够满足后续工艺流程需要，对相关配套的综合性装备配置参数进行了系统调节，其技术指标（表4、表5）得到了全面改善。由表4、表5可知，流程优化前后，选矿厂总处理量并未下降，而且由于二段磨机新生-74 m含量提高了40.95%，使得二段磨矿分级回路中-74 m利用系数增加 27.32%，分级质效率和量效率分别增加38.86%和 36.18%，总循环负荷减少 35.30%，技术指标全面改善；优化后二段分级溢流产品质量全面提高，合格粒级产量增加9.66%，稳定实现了选矿厂的连续生产作业5。6结论（1）针对湖南某选厂进行扩能改造后破碎筛分系统处理能力不足的问题，对破碎筛分系统通过基础数据检测，找到了筛分系统存在的主要问题是细碎机处理能力不足，通过更换设备并对相关技术参数调整优化，最终实现了破碎筛分达产达标。（2）根据现场破碎筛分产品粒度的降低，磨矿分级负荷降低，特别是第二段球磨机分级负荷低，为此二段磨矿分级2个系列改为1个系列，经过技术参数调整，实现了磨矿分级系统优化。参考文献1孙长泉，孙成林.选矿厂工艺设备安装与维修 M.北京:冶金工业出版社，2010.2段希祥，肖庆飞.碎矿与磨矿 M.北京:冶金工业出版社，2012.3陈国山.现代矿山生产与安全管理 M.北京：冶金工业出版社，2011.4黄伟生，王忠海，刘杰，等.某多金属选矿厂磨矿分级工艺优化研究 J.中国钨业，2019，34（6）:25-33.5周旭东.选矿厂磨矿分级工艺优化研究与实践 J.冶金与材料，2019，39（6）:8-9，12.（收稿日期 2023-03-11）9马志超，郑劲东，徐姗姗.空心玻璃微珠对固体浮力材料性能的影响 J.材料开发与应用，2020，35（3）:62-76.10 全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会.JC/T22842014空心玻璃微珠抗等静压强度（水压法）、吸油率及漂浮率的测定方法 S.北京:中国建材工业出版社，2014.11 全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会.JC/T22852014空心玻璃微珠抗等静压强度（气压法）的测定方法 S.北京:中国建材工业出版社，2015.12 周振方，王立和，葛平，等.SMC 轻量化初步探究 J.玻璃钢，2018（4）:92-97.13 成保拓，吴仲岿，潘伟斌，等.基于多尺度孔结构的保温隔热涂层的导热系数与导热模型 J.涂料工业，2022，52（12）:9-18.14 全国绝热材料标准化技术委员会.GB/T102972015 非金属固体材料导热系数的测定热线法 S.北京:中国质检出版社，2015.15 全国建筑构配件标准化技术委员会.GB/T320642015 建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法 S.北京:中国质检出版社，2016.16 全国耐火材料标准化技术委员会.GB/T225882008 闪光法测量热扩散系数或导热系数 S.北京:中国标准出版社，2008.17 全国钢标准化技术委员会.GB/T87222019 炭素材料导热系数测定方法 S.北京:中国质检出版社，2020.（收稿日期 2023-07-13）（上接第259页）277