玻璃泡减轻塑料重量

下一次在你看着保龄球滚下球道时，设想一下如果此时你转过身去告诉你的队友美国宾士域公司旗下的宾士域保龄球&桌球公司早在20世纪80年代就已经利用玻璃泡来控制其9至16磅球的重量了，该会给你的队友想留下多么深刻的印象啊。

玻璃泡又被称为玻璃微球被用作塑料轻量化添加剂已经很多年了。它是一种干燥的白色粉末，由耐水并化学性质稳定的碱石灰硼硅酸盐玻璃构成。这些玻璃泡（GB）是防水的，不可燃的，并且无孔，所以它们不吸收与之混合的树脂。旧等级范围的尺寸为70?35微米，密度为0.1?0.3克/立方厘米，强度为250至2，000 磅/平方英寸。这种可拆卸强度也适用于零压到低压加工。就保龄球来说，宾士域公司在开放灌注的铸造操作过程中，将玻璃泡加入到液态聚酯中，来制作保龄球的内核。

宾士域保龄球&桌球公司利用玻璃泡来精确控制保龄球的重量。

宾士域保龄球公司消费类产品研发部门主管雷・爱德华兹解释说：“其他减轻球体重量的方法，如起泡或者将空气注入模型中，都不能精确测量重量来达到目标密度。在保龄球中使用玻璃泡能够解决难以实现的密度控制问题，并且使其易于管理。”

爱德华兹举了一个关于玻璃泡控制密度的例子：“根据规定，比赛中合法使用的所有保龄球直径必须在8.500和8.595英寸之间。球的重量为8至16磅不等。为了制造具有3.67磅尿烷外壳材料（球的最外层表面）的10磅重的保龄球，其 7.7英寸的球状核心重量必须为6.33磅。核心使用的聚酯树脂比重为1.23。当聚酯与适当体积的玻璃微球混合时，铸塑混合物可以配制成0.734的所需比重。”

看到了玻璃泡在低压加工塑料的表现后，圣保罗3M公司在过去几十年里不断开发用于高压工艺的玻璃泡。最近，一项突破性的进步产生了一种称为iM30K的新品种。

切成一半的宾士域保龄球展示了其内部结构：内核、外核和外壳。在重量超过12磅的保龄球内，内核和外核使用多种形状和密度来影响动态和旋转特征。玻璃泡应用于每一个设计中。

3M公司的iM30K其可拆卸强度大约为30000 磅/平方英寸，这使它适用于片状模塑料（SMC）、团状模塑料（BMC）、树脂传递模塑（RTM）、反应注塑（RIM）和拉挤成型等加工工艺。它可以代替粘土、丙烯酸树脂、烃基树脂、碳纤维、有机填料和纳米粒子等填料。玻璃泡的直径为16微米，密度为0.6克/立方厘米，是使用范围最广泛的增强填料密度的五分之一，如滑石、玻璃纤维、碳酸钙等。有了这个密度和强度，玻璃泡在减轻重量，缩短周期时间，减少翘曲变形，制造具有加强强度的合格的表面光洁度等方面处于领先地位。汽车行业迅速采用了这种新技术。

汽车制造商被迫在重量限制上节省开支，来符合始终严格的企业平均燃油经济性（CAFE）标准。汽车制造商估计汽车的总重量每减少10%，燃油经济性约提高7%。重组和化学起泡剂等减轻重量的方法耗时又昂贵。

玻璃泡可以替换树脂和填料，而无需机械或者新型昂贵模具。由于玻璃泡的密度低，所以它是按体积而不是重量制造的。 3M公司建议最大实际负荷为无填料的树脂占体积的50%。举一个例子，占体积30%的聚丙烯代替物能够减轻13%的重量。其它可被替代的树脂包括尼龙、ABS??塑料、乙缩醛、橡胶、塑料溶胶和其他工程热塑性塑料。取代树脂的玻璃泡越多，密度将越低，其构成部分将越坚硬。

当填料用于加强塑料时，玻璃泡不应取代所有的填料。玻璃泡是球形的，纵横比为1，不能创建同玻璃纤维等纵横比高的填料相同的强度，因为纤维与流动方向不一致。若要减少5?10%的重量，3M公司建议，对结构性应用来说保持物理性能（冲击强度、模量、伸长率和热挠曲温度）很重要的话，可以使用10%～20%的填料代替物。

若要在挤出成型或者注射成型的加工过程中使用玻璃泡，3M公司建议在树脂熔化时，将气泡添加到侧填料操作的下游。特别是对于注塑成型来说，降低背压，减慢螺旋速度，使用较大的栅极和滑槽至关重要。玻璃泡在齿轮泵或双辊轧机等高剪力加工时仍然易碎。

由于玻璃泡质量轻，减少了部件的质量，所以使用它们可以缩短冷却时间。此外，玻璃的膨胀和收缩幅度小于大部分树脂，因此提高了塑料的线性热膨胀系数（CLTE）。因为玻璃泡的纵横比为1，所以它们在进行各向同性的填充时需要??更多的容积负荷容量。通过减少翘曲以及帮助达到被铸造而成，易受振动，且需要滑入配合的零件的目标尺寸，所有这些变量有助于缩短周期。

玻璃泡的旧等级不能用于需要A级表面光洁度的部件。目前，使用范围最广泛的用于A级表面的复合材料是片状模塑料（SMC），一种由聚酯或乙烯树脂，短切的玻璃纤维，和矿物填料压缩成型的混合材料（尽管碳纤维正在低容量豪华汽车中寻找一些可应用之处）。以前的气泡大小为40微米，如果在片状模塑料部件的表面或者接近表面的位置，那么在抛光打磨的过程中会退出面板或破裂，从而留下孔隙和不可接受的油漆表面缺陷。

密歇根州特洛伊市马牌结构塑料公司率先看到了旧等级的表面光洁度的问题。该公司是北美制造商，为汽车、重型卡车，和其他行业生产片状模塑料和玻璃纤维毡热塑性塑料（GMT）复合材料部件。材料开发公司经理Mike Siwajek 表示：“我们在低密度、尺寸更小的着色外观面板，以及增强挤压强度的iM30K玻璃泡方面都能满足OEM的A级标准。”

Siwajek表示，该公司的iM30K已经处于领先地位，并且他可以保证上述所有类别改进的真实可靠。“我们发现3M公司玻璃泡的流动性可以与片状模塑料良好的整合到一起，实际上通过提高树脂的流动加强了加工工艺。通过3M公司的iM30K玻璃泡与碳酸钙的比较，我们可以减少给定部件约25%的重量。”

根据某一公司的要求可以创建材料的自定义配方。例如，汽车部件，如车门、缓冲装置、隔音罩、遮阳棚、车底涂层和接缝密封的塑料溶胶等实际应用。

塑料溶胶是是液态的，大部分由聚氯乙烯（PVC）组成，热固化来形成连续的薄膜或固体。随着环保促使减少其产品中的PVC含量，汽车制造商开始采用昂贵的丙烯酸树脂来取代PVC。使用玻璃泡来代替丙烯酸树脂，在除去PVC树脂的同时，玻璃泡减轻了其一半的重量并且降低了15%到20%的成本。说到成本，玻璃泡的定价取决于密度和封装尺寸。使用玻璃泡的SMC零件制造商发现零部件的成本保持不变，而且新的重量降低了运输和过境时的成本。

在考虑到环境方面，3M公司能源及先进材料部门高级产品开发专家史蒂夫・阿莫斯表示：“GB /塑料复合材料可循环使用，同时最低程度的增加特定密度/比重。根据不同的回收方法（磨床或加热叶片磨床），在每个循环步骤都可能有或多或少的玻璃泡破裂。树脂的类型没有太大的变量，可以同任何树脂/ GB复合材料一起，并且其效果与回收树脂本身的效果相同。”

旋转塑模

我们没有找到任何文件说明玻璃泡在旋转塑模中的应用。为了看看玻璃泡将如何在世界上最大的旋转塑模设备上保持平静，我们联系到了位于俄亥俄州斯Streetsboro市的Step2有限责任公司技术服务部门主管詹姆斯・佳士得。当詹姆斯使用玻璃泡来帮助减少大型中空部分的重量过程中遇到任何挑战和/或进行改进时，他将不断更新机械设计，同时使世界上最激烈的批评家密西根数学系统感到满意。