νέα

Κοίλες γυάλινες μικροσφαίρεςκαι τα σύνθετα υλικά τους

Τα στερεά υλικά πλευστότητας υψηλής αντοχής για εφαρμογές σε βαθιά νερά αποτελούνται γενικά από μέσα ρύθμισης της πλευστότητας (κούφιες μικροσφαίρες) και σύνθετα ρητίνης υψηλής αντοχής. Διεθνώς, αυτά τα υλικά επιτυγχάνουν πυκνότητες 0,4–0,6 g/cm³ και αντοχή σε θλίψη 40–100 MPa και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους εξοπλισμούς βαθιάς θάλασσας. Οι κοίλες μικροσφαίρες είναι ειδικά δομικά υλικά γεμάτα με αέριο. Με βάση τη σύνθεση του υλικού τους, χωρίζονται κυρίως σε οργανικές σύνθετες μικροσφαίρες και ανόργανες σύνθετες μικροσφαίρες. Η έρευνα για τις οργανικές σύνθετες μικροσφαίρες είναι πιο ενεργή, με αναφορές που περιλαμβάνουν κοίλες μικροσφαίρες πολυστυρενίου και κοίλες μικροσφαίρες πολυμεθυλομεθακρυλικού. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ανόργανων μικροσφαιρών περιλαμβάνουν κυρίως γυαλί, κεραμικά, βορικά άλατα, άνθρακα και κενοσφαίρες ιπτάμενης τέφρας.

Μικροσφαίρες κοίλου γυαλιού: Ορισμός και ταξινόμηση

Οι κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες είναι ένας νέος τύπος ανόργανου μη μεταλλικού σφαιρικού υλικού μικροσκόνης με εξαιρετικές ιδιότητες όπως μικρό μέγεθος σωματιδίων, σφαιρικό σχήμα, ελαφρύ βάρος, ηχομόνωση, θερμομόνωση, αντοχή στη φθορά και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε αεροδιαστημικά υλικά, υλικά αποθήκευσης υδρογόνου, στερεά υλικά πλευστότητας, θερμομονωτικά υλικά, δομικά υλικά και χρώματα και επιστρώσεις. Γενικά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

① Οι κενοσφαίρες, που αποτελούνται κυρίως από SiO2 και οξείδια μετάλλων, μπορούν να ληφθούν από ιπτάμενη τέφρα που παράγεται κατά την παραγωγή ενέργειας σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Αν και οι κενοσφαίρες είναι λιγότερο ακριβές, έχουν χαμηλή καθαρότητα, ευρεία κατανομή μεγέθους σωματιδίων και, ειδικότερα, πυκνότητα σωματιδίων γενικά μεγαλύτερη από 0,6 g/cm3, καθιστώντας τες ακατάλληλες για την παρασκευή υλικών πλευστότητας για εφαρμογές βαθέων υδάτων.

② Τεχνητά συνθετικές γυάλινες μικροσφαίρες, των οποίων η αντοχή, η πυκνότητα και άλλες φυσικοχημικές ιδιότητες μπορούν να ελεγχθούν προσαρμόζοντας τις παραμέτρους της διεργασίας και τις συνθέσεις πρώτων υλών. Αν και πιο ακριβές, έχουν ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.

Χαρακτηριστικά των μικροσφαιρών κοίλου γυαλιού

Η ευρεία εφαρμογή των κοίλων γυάλινων μικροσφαιρών σε στερεά υλικά πλευστότητας είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά τους.

①Κοίλες γυάλινες μικροσφαίρεςέχουν κοίλη εσωτερική δομή, με αποτέλεσμα το μικρό βάρος, τη χαμηλή πυκνότητα και τη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτό όχι μόνο μειώνει σημαντικά την πυκνότητα των σύνθετων υλικών, αλλά τους προσδίδει και εξαιρετική θερμομόνωση, ηχομόνωση, ηλεκτρική μόνωση και οπτικές ιδιότητες.

② Οι κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες έχουν σφαιρικό σχήμα, διαθέτουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού πορώδους (ιδανικό πληρωτικό) και της ελάχιστης απορρόφησης πολυμερούς από τις σφαίρες, επηρεάζοντας έτσι ελάχιστα τη ρευστότητα και το ιξώδες της μήτρας. Αυτά τα χαρακτηριστικά έχουν ως αποτέλεσμα μια λογική κατανομή τάσεων στο σύνθετο υλικό, βελτιώνοντας έτσι τη σκληρότητα, την ακαμψία και τη σταθερότητα των διαστάσεων του.

③ Οι κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες έχουν υψηλή αντοχή. Ουσιαστικά, οι κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες είναι σφαίρες με λεπτά τοιχώματα, σφραγισμένες με γυαλί ως κύριο συστατικό του κελύφους, οι οποίες παρουσιάζουν υψηλή αντοχή. Αυτό αυξάνει την αντοχή του σύνθετου υλικού διατηρώντας παράλληλα χαμηλή πυκνότητα.

Μέθοδοι Παρασκευής Κοίλων Μικροσφαιρών Γυαλιού
Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι προετοιμασίας:
① Μέθοδος σκόνης. Η γυάλινη μήτρα πρώτα κονιορτοποιείται, προστίθεται ένας παράγοντας αφρισμού και στη συνέχεια αυτά τα μικρά σωματίδια διέρχονται από έναν κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας. Όταν τα σωματίδια μαλακώνουν ή λιώνουν, παράγεται αέριο μέσα στο γυαλί. Καθώς το αέριο διαστέλλεται, τα σωματίδια γίνονται κοίλες σφαίρες, οι οποίες στη συνέχεια συλλέγονται χρησιμοποιώντας έναν κυκλωνικό διαχωριστή ή ένα σακόφιλτρο.

② Μέθοδος σταγονιδίων. Σε μια ορισμένη θερμοκρασία, ένα διάλυμα που περιέχει μια ουσία χαμηλού σημείου τήξης ξηραίνεται με ψεκασμό ή θερμαίνεται σε έναν κατακόρυφο κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας, όπως στην παρασκευή μικροσφαιρών υψηλής αλκαλικότητας.

③ Μέθοδος ξηρής γέλης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί οργανικά αλκοξείδια ως πρώτες ύλες και περιλαμβάνει τρεις διαδικασίες: παρασκευή ξηρής γέλης, κονιοποίηση και αφροποίηση σε υψηλή θερμοκρασία. Και οι τρεις μέθοδοι έχουν ορισμένα μειονεκτήματα: η μέθοδος σκόνης παράγει χαμηλούς ρυθμούς σχηματισμού σφαιριδίων, η μέθοδος σταγονιδίων παράγει μικροσφαίρες με χαμηλή αντοχή και η μέθοδος ξηρής γέλης έχει υψηλό κόστος πρώτων υλών.

Υπόστρωμα Σύνθετου Υλικού από Κούφια Μικροσφαιρίδια Γυαλιού και Σύνθετη Μέθοδος

Για να σχηματιστεί ένα υψηλής αντοχής στερεό υλικό πλευστότητας μεκοίλες γυάλινες μικροσφαίρες, το υλικό μήτρας πρέπει να διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες, όπως χαμηλή πυκνότητα, υψηλή αντοχή, χαμηλό ιξώδες και καλή λιπαντικότητα με τις μικροσφαίρες. Τα υλικά μήτρας που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν εποξειδική ρητίνη, πολυεστερική ρητίνη, φαινολική ρητίνη και σιλικονούχο ρητίνη. Μεταξύ αυτών, η εποξειδική ρητίνη είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη στην πραγματική παραγωγή λόγω της υψηλής αντοχής, της χαμηλής πυκνότητας, της χαμηλής απορρόφησης νερού και της χαμηλής συρρίκνωσης σκλήρυνσης. Οι γυάλινες μικροσφαίρες μπορούν να συντεθούν με υλικά μήτρας μέσω διαδικασιών χύτευσης όπως χύτευση, εμποτισμός κενού, χύτευση με μεταφορά υγρού, στοίβαξη σωματιδίων και χύτευση με συμπίεση. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι για να βελτιωθεί η κατάσταση της διεπιφάνειας μεταξύ των μικροσφαιρών και της μήτρας, πρέπει επίσης να τροποποιηθεί η επιφάνεια των μικροσφαιρών, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του σύνθετου υλικού.