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Microsfere di vetro cavee i loro materiali compositi

I materiali solidi ad alta resistenza per la galleggiabilità destinati ad applicazioni in acque profonde sono generalmente composti da mezzi di regolazione della galleggiabilità (microsfere cave) e compositi di resina ad alta resistenza. A livello internazionale, questi materiali raggiungono densità di 0,4-0,6 g/cm³ e resistenze alla compressione di 40-100 MPa e sono ampiamente utilizzati in diverse apparecchiature per applicazioni in acque profonde. Le microsfere cave sono materiali strutturali speciali riempiti di gas. In base alla loro composizione, si dividono principalmente in microsfere composite organiche e microsfere composite inorganiche. La ricerca sulle microsfere composite organiche è più attiva, con studi che includono microsfere cave in polistirene e microsfere cave in polimetilmetacrilato. I materiali utilizzati per preparare le microsfere inorganiche includono principalmente cenosfere di vetro, ceramica, borati, carbonio e ceneri volanti.

Microsfere di vetro cave: definizione e classificazione

Le microsfere di vetro cave sono un nuovo tipo di materiale inorganico non metallico in micropolveri sferiche con eccellenti proprietà come piccole dimensioni delle particelle, forma sferica, leggerezza, isolamento acustico, isolamento termico, resistenza all'usura e resistenza alle alte temperature. Le microsfere di vetro cave sono state ampiamente utilizzate in materiali aerospaziali, materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno, materiali solidi galleggianti, materiali per l'isolamento termico, materiali da costruzione e vernici e rivestimenti. Sono generalmente suddivise in due categorie:

① Le cenosfere, composte principalmente da SiO2 e ossidi metallici, possono essere ottenute dalle ceneri volanti prodotte durante la produzione di energia nelle centrali termoelettriche. Sebbene le cenosfere siano meno costose, presentano una scarsa purezza, un'ampia distribuzione granulometrica e, in particolare, una densità delle particelle generalmente superiore a 0,6 g/cm3, il che le rende inadatte alla preparazione di materiali galleggianti per applicazioni in acque profonde.

2 Microsfere di vetro sintetizzate artificialmente, la cui resistenza, densità e altre proprietà fisico-chimiche possono essere controllate modificando i parametri di processo e le formulazioni delle materie prime. Sebbene più costose, hanno una gamma di applicazioni più ampia.

Caratteristiche delle microsfere di vetro cave

L'ampia applicazione delle microsfere di vetro cave nei materiali solidi galleggianti è indissolubilmente legata alle loro eccellenti caratteristiche.

①Microsfere di vetro cavehanno una struttura interna cava, che si traduce in leggerezza, bassa densità e bassa conduttività termica. Questo non solo riduce significativamente la densità dei materiali compositi, ma conferisce loro anche eccellenti proprietà di isolamento termico, acustico, elettrico e ottico.

2. Le microsfere di vetro cave hanno una forma sferica e presentano i vantaggi di una bassa porosità (riempitivo ideale) e di un assorbimento minimo di polimero da parte delle sfere, con un impatto minimo sulla fluidità e sulla viscosità della matrice. Queste caratteristiche determinano una distribuzione ragionevole delle sollecitazioni nel materiale composito, migliorandone durezza, rigidità e stabilità dimensionale.

3. Le microsfere di vetro cave hanno un'elevata resistenza. In sostanza, le microsfere di vetro cave sono sfere sigillate a parete sottile, con il vetro come componente principale del guscio, che presentano un'elevata resistenza. Ciò aumenta la resistenza del materiale composito mantenendo una bassa densità.

Metodi di preparazione delle microsfere di vetro cavo
Esistono tre metodi principali di preparazione:
① Metodo a polvere. La matrice di vetro viene prima polverizzata, viene aggiunto un agente schiumogeno e poi queste piccole particelle vengono fatte passare attraverso un forno ad alta temperatura. Quando le particelle si ammorbidiscono o fondono, si genera gas all'interno del vetro. Con l'espansione del gas, le particelle diventano sfere cave, che vengono poi raccolte tramite un separatore a ciclone o un filtro a maniche.

2 Metodo delle goccioline. A una certa temperatura, una soluzione contenente una sostanza a basso punto di fusione viene essiccata a spruzzo o riscaldata in un forno verticale ad alta temperatura, come nella preparazione di microsfere altamente alcaline.

3. Metodo del gel secco. Questo metodo utilizza alcossidi organici come materie prime e prevede tre processi: preparazione di un gel secco, polverizzazione e schiumatura ad alta temperatura. Tutti e tre i metodi presentano alcuni svantaggi: il metodo della polvere produce bassi tassi di formazione di granuli, il metodo delle gocce produce microsfere con scarsa resistenza e il metodo del gel secco ha costi elevati per le materie prime.

Substrato di materiale composito a microsfere di vetro cavo e metodo composito

Per formare un materiale solido ad alta resistenza e galleggiabilità conmicrosfere di vetro caveIl materiale della matrice deve possedere proprietà eccellenti, come bassa densità, elevata resistenza, bassa viscosità e buona lubrificazione con le microsfere. I materiali della matrice attualmente utilizzati includono resina epossidica, resina poliestere, resina fenolica e resina siliconica. Tra questi, la resina epossidica è la più ampiamente utilizzata nella produzione attuale grazie alla sua elevata resistenza, bassa densità, basso assorbimento d'acqua e basso ritiro da polimerizzazione. Le microsfere di vetro possono essere composite con materiali della matrice attraverso processi di stampaggio come fusione, impregnazione sotto vuoto, stampaggio a trasferimento di liquidi, impilamento di particelle e stampaggio a compressione. È importante sottolineare che per migliorare le condizioni interfacciali tra le microsfere e la matrice, è necessario modificare anche la superficie delle microsfere, migliorando così le prestazioni complessive del materiale composito.