aktualności

Puste szklane mikrokulkii ich materiały kompozytowe

Wysokowytrzymałe, stałe materiały wypornościowe do zastosowań głębinowych składają się zazwyczaj z mediów regulujących wyporność (pustych mikrosfer) oraz wysokowytrzymałych kompozytów żywicznych. Na świecie materiały te osiągają gęstość 0,4–0,6 g/cm³ i wytrzymałość na ściskanie 40–100 MPa i są szeroko stosowane w różnych urządzeniach głębinowych. Puste mikrosfery to specjalne materiały konstrukcyjne wypełnione gazem. Ze względu na skład dzieli się je głównie na organiczne mikrosfery kompozytowe i nieorganiczne mikrosfery kompozytowe. Badania nad organicznymi mikrosferami kompozytowymi są bardziej aktywne, a doniesienia obejmują puste mikrosfery z polistyrenu i polimetakrylanu metylu. Materiały używane do wytwarzania nieorganicznych mikrosfer obejmują głównie szkło, ceramikę, borany, węgiel i mikrosfery z popiołu lotnego.

Mikrosfery szklane puste: definicja i klasyfikacja

Puste szklane mikrosfery to nowy rodzaj nieorganicznego, niemetalicznego, sferycznego materiału w postaci mikroproszków, charakteryzującego się doskonałymi właściwościami, takimi jak mały rozmiar cząstek, kulisty kształt, lekkość, izolacja akustyczna i cieplna, odporność na zużycie oraz odporność na wysokie temperatury. Puste szklane mikrosfery są szeroko stosowane w materiałach lotniczych, materiałach do magazynowania wodoru, materiałach zapewniających wyporność, materiałach termoizolacyjnych, materiałach budowlanych oraz farbach i powłokach. Zasadniczo dzieli się je na dwie kategorie:

① Cenosfery, składające się głównie z SiO2 i tlenków metali, można uzyskać z popiołu lotnego powstającego podczas produkcji energii w elektrowniach cieplnych. Chociaż cenosfery są tańsze, charakteryzują się niską czystością, szerokim rozkładem wielkości cząstek, a w szczególności gęstością cząstek na ogół powyżej 0,6 g/cm³, co czyni je nieodpowiednimi do przygotowywania materiałów wypornościowych do zastosowań głębinowych.

② Sztucznie syntetyzowane mikrosfery szklane, których wytrzymałość, gęstość i inne właściwości fizykochemiczne można kontrolować poprzez dostosowanie parametrów procesu i składu surowców. Choć droższe, mają szerszy zakres zastosowań.

Charakterystyka mikrokulek szklanych pustych

Szerokie zastosowanie pustych mikrokulek szklanych w materiałach zapewniających wyporność jest nierozerwalnie związane z ich doskonałymi właściwościami.

①Puste szklane mikrokulkiMają pustą strukturę wewnętrzną, co przekłada się na ich lekkość, niską gęstość i niskie przewodnictwo cieplne. To nie tylko znacznie zmniejsza gęstość materiałów kompozytowych, ale także zapewnia im doskonałą izolację termiczną, akustyczną, elektryczną i właściwości optyczne.

② Puste szklane mikrokulki mają kulisty kształt, charakteryzując się niską porowatością (idealny wypełniacz) i minimalną absorpcją polimerów przez kulki, co ma niewielki wpływ na płynność i lepkość matrycy. Te cechy zapewniają odpowiedni rozkład naprężeń w materiale kompozytowym, poprawiając jego twardość, sztywność i stabilność wymiarową.

③ Puste szklane mikrosfery charakteryzują się wysoką wytrzymałością. Zasadniczo, puste szklane mikrosfery to cienkościenne, uszczelnione kulki, których głównym składnikiem jest szkło, charakteryzujące się wysoką wytrzymałością. Zwiększa to wytrzymałość materiału kompozytowego przy jednoczesnym zachowaniu niskiej gęstości.

Metody przygotowania pustych mikrokulek szklanych
Istnieją trzy główne metody przygotowania:
① Metoda proszkowa. Matryca szklana jest najpierw rozdrabniana, dodawany jest środek spieniający, a następnie te małe cząstki są przepuszczane przez piec wysokotemperaturowy. Gdy cząstki zmiękną lub stopią się, w szkle powstaje gaz. W miarę rozprężania się gazu cząstki stają się pustymi kulkami, które są następnie zbierane za pomocą separatora cyklonowego lub filtra workowego.

② Metoda kropelkowa. W określonej temperaturze roztwór zawierający substancję o niskiej temperaturze topnienia jest suszony rozpyłowo lub podgrzewany w wysokotemperaturowym piecu pionowym, jak w przypadku otrzymywania silnie alkalicznych mikrosfer.

③ Metoda suchego żelu. Metoda ta wykorzystuje organiczne alkoholany jako surowce i obejmuje trzy procesy: przygotowanie suchego żelu, sproszkowanie i spienianie w wysokiej temperaturze. Wszystkie trzy metody mają pewne wady: metoda proszkowa daje niską szybkość formowania kulek, metoda kropelkowa daje mikrosfery o niskiej wytrzymałości, a metoda suchego żelu wiąże się z wysokimi kosztami surowców.

Materiał kompozytowy z mikrosfer szklanych pustych w środku, podłoże i metoda kompozytowa

Aby utworzyć wytrzymały, stały materiał wypornościowy zpuste szklane mikrokulkiMateriał matrycy musi posiadać doskonałe właściwości, takie jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość, niska lepkość i dobra smarowność w połączeniu z mikrokulkami. Obecnie stosowane materiały matrycowe obejmują żywicę epoksydową, żywicę poliestrową, żywicę fenolową i żywicę silikonową. Spośród nich żywica epoksydowa jest najszerzej stosowana w produkcji ze względu na wysoką wytrzymałość, niską gęstość, niską absorpcję wody i niski skurcz utwardzania. Mikrokulki szklane można łączyć z materiałami matrycowymi poprzez procesy formowania, takie jak odlewanie, impregnacja próżniowa, formowanie z transferem cieczy, układanie cząstek i formowanie tłoczne. Należy podkreślić, że w celu poprawy stanu powierzchni między mikrokulkami a matrycą, konieczna jest również modyfikacja powierzchni mikrokulek, co poprawia ogólną wydajność materiału kompozytowego.