Стеклянная микросфера
Стеклянные микросферы — это микроскопические сферы из стекла, изготавливаемые для широкого спектра применений в исследованиях , медицине , производстве потребительских товаров и различных отраслях промышленности. Стеклянные микросферы обычно имеют диаметр от 1 до 1000 микрометров, хотя размеры могут варьироваться от 100 нанометров до 5 миллиметров в диаметре. Полые стеклянные микросферы, иногда называемые микросферами или стеклянными пузырьками , имеют диаметр от 10 до 300 микрометров .
Полые сферы используются в качестве легкого наполнителя в композитных материалах, таких как синтаксическая пена и легкий бетон . [1] Микрошарики придают синтаксическому пенопласту легкий вес, низкую теплопроводность и устойчивость к сжимающим нагрузкам , которая намного превосходит сопротивление других пенопластов. [2] Эти свойства используются в корпусах подводных аппаратов и оборудовании для глубоководной добычи нефти, где другие типы пены могут взорваться . Полые сферы из других материалов создают синтаксическую пену с разными свойствами: например, из керамических шариков можно сделать легкую синтаксическую алюминиевую пену. [3]
Полые сферы также находят применение в самых разных областях: от хранения и медленного высвобождения фармацевтических препаратов и радиоактивных индикаторов до исследований в области контролируемого хранения и выделения водорода . [4] Микросферы также используются в композитах для наполнения полимерных смол с учетом определенных характеристик, таких как вес, шлифуемость и уплотняющие поверхности. Например, при изготовлении досок для серфинга формовщики герметизируют заготовки пенополистирола эпоксидной смолой и микрошариками, чтобы создать непроницаемую и легко шлифуемую поверхность, на которую наносят ламинаты из стекловолокна.
Стеклянные микросферы могут быть изготовлены путем нагревания крошечных капель растворенного жидкого стекла в процессе, известном как пиролиз ультразвукового распыления (USP), а свойства можно несколько улучшить, используя химическую обработку для удаления части натрия . [5] Истощение содержания натрия также позволило использовать полые стеклянные микросферы в химически чувствительных системах смол, таких как эпоксидные смолы с длительным сроком годности или невыдуваемые полиуретановые композиты.
Дополнительные функциональные элементы, такие как силановые покрытия, обычно добавляются к поверхности полых стеклянных микросфер для увеличения прочности границы раздела матрица/микросферы (обычная точка разрушения при растягивающем напряжении).
Микросферы, изготовленные из высококачественного оптического стекла, могут быть изготовлены для исследований в области оптических резонаторов или полостей . [6]
Стеклянные микросферы также производятся в качестве отходов на угольных электростанциях . В этом случае продукт обычно будет называться « ценосферой », и он будет иметь алюмосиликатный химический состав (в отличие от химического состава искусственных сфер, состоящего из кремнезема натрия). Небольшое количество кремнезема в угле плавится и, поднимаясь по трубе, расширяется и образует небольшие полые сферы. Эти сферы собираются вместе с золой, которая в водной смеси перекачивается в местную золоотвалу. Часть частиц не полыхает и тонет в зольных отвалах, а полые плавают на поверхности отвалов. Они становятся помехой, особенно когда высыхают, поскольку переносятся по воздуху и разносятся по прилегающим территориям.
Приложение
[ редактировать ]Микросферы использовались для создания фокальных областей, известных как фотонные наноструи. [7] и размеры которых достаточно велики, чтобы поддерживать внутренние резонансы, но в то же время достаточно малы, так что геометрическая оптика не может быть применена для изучения их свойств. Предыдущие исследования экспериментально и с помощью моделирования продемонстрировали использование микросфер для увеличения интенсивности сигнала, полученного в различных экспериментах. Подтверждение существования фотонной струи в микроволновом масштабе: наблюдение усиления обратного рассеяния, возникающего при попадании металлических частиц в область фокуса. Измеримое усиление обратно рассеянного света в видимом диапазоне было получено, когда наночастица золота была помещена внутрь области фотонных наноструй, созданных диэлектрической микросферой диаметром 4,4 мкм. использование наноструй, создаваемых прозрачными микросферами, для возбуждения оптически активных материалов в процессах ап-конверсии с различным числом фотонов возбуждения. Проанализировано также [8]
Монодисперсные стеклянные микросферы имеют высокую сферичность и очень плотное распределение частиц по размерам, часто с CV<10% и детализацией >95% частиц в диапазоне размеров. Монодисперсные частицы стекла часто используются в качестве разделителей в клеях и покрытиях, например, в качестве разделителей линий склеивания в эпоксидных смолах. Всего лишь небольшое количество монодисперсных микросфер разделительного качества может создать контролируемый зазор, а также определить и поддерживать заданную толщину линии соединения. Частицы спейсерного класса также можно использовать в качестве калибровочных стандартов и частиц-индикаторов для аттестации медицинских устройств. Высококачественные сферические стеклянные микросферы часто используются в газоплазменных дисплеях, автомобильных зеркалах, электронных дисплеях, технологиях флип-чипов, фильтрах, микроскопии и электронном оборудовании.
Другие области применения включают синтаксические пены. [9] а также дисперсные композиты и светоотражающие краски.
Дозирование микросфер
[ редактировать ] |
Дозирование микросфер может оказаться сложной задачей. При использовании микросфер в качестве наполнителя для стандартных смесительных и дозирующих машин степень разрушения может достигать 80 %, в зависимости от таких факторов, как выбор насоса, вязкость материала, перемешивание материала и температура. Специально разработанные дозаторы для материалов, наполненных микросферами, могут снизить степень разрушения микросфер до минимального уровня. являются Винтовые насосы лучшим выбором для дозирования материалов с микросферами, что позволяет снизить вероятность разрушения микросфер до 80%.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Что бы ни плавало в вашей лодке, студенческое отделение Клемсона Американского общества инженеров-строителей». Архивировано 31 января 2009 г. в Wayback Machine . ces.clemson.edu
- ^ Обычные микрошарики имеют плотность от 0,15 до 0,20 г/см. 3 , с изостатической прочностью на раздавливание от 300 до 500 фунтов на квадратный дюйм. Более плотные и высокопрочные формы имеют плотность 0,38 г/см. 3 с силой 5500 фунтов на квадратный дюйм и 0,6 г/см 3 (все еще обеспечивающий значительную плавучесть) с давлением раздавливания 18 000 фунтов на квадратный дюйм.
- ^ Рэй Эриксон (1 января 1999 г.). Пена на режущей кромке . Машиностроение-CIME
- ^ Дж. Э. Шелби, М. М. Холл и ФК Рашевски (2007). Радикально новый метод хранения водорода в полых стеклянных микросферах. Архивировано 4 июня 2011 г. в Wayback Machine . Технический отчет Министерства энергетики FG26-04NT42170.
- ^ Исобе, Хироши; Токунага, Ичиро; Нагай, Нориёси; Канеко, Кацуми (2011). «Характеристика микросфер из гидратированного силикатного стекла». Журнал исследования материалов . 11 (11): 2908. Бибкод : 1996JMatR..11.2908I . дои : 10.1557/jMR.1996.0368 . S2CID 136718493 .
- ^ Оптический резонатор
- ^ Б.С. Лукьянчук и др. «Показатель преломления менее двух: фотонные наноструи вчера, сегодня и завтра (Приглашено)» Optical Materials Express , 7 (6), 1820 (2017).
- ^ Перес-Родригес, К.; Имания, Миннесота; Мартин, LL; Риос, С.; Мартин, ИК; Йекта, Биджан Эфтехари (ноябрь 2013 г.). «Исследование фокусирующего влияния микросфер кремнезема на апконверсию стеклокерамики, солегированной Er3+ –Yb3+». Журнал сплавов и соединений . 576 : 363–368. дои : 10.1016/j.jallcom.2013.05.222 .
- ^ Х.С. Ким и Махаммад Азхар Хамис, «Излом и ударное поведение композитов полых микросфер и эпоксидной смолы», Композиты, часть A: Прикладная наука и производство, Том 32A, № 9, стр. 1311-1317, 2001.