空心微球质量表征及检验方法

汪光辉 柳 雷 刘亚辉

（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）

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5～10 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2～5 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

式中，r为规定条件下的破碎率，%；ρ0为空心微球样品完全破碎下的真密度，g/cm3；ρ1为空心微球样品的承压前密度，g/cm3；ρ2为空心微球样品的承压后密度，g/cm3。

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：

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0.05～2 μm 的密闭空心球体，粒径分布为2～150 μm，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。