Стеклянные микросферы: свойства, производство и применение.

Введение

Стеклянные микросферы – это микроскопические сферы из стекла, производимые для широкого спектра применений в исследованиях, медицине, потребительских товарах и различных отраслях промышленности. Обычно диаметр стеклянных микросфер составляет от 1 до 1000 микрометров, хотя размеры могут варьироваться от 100 нанометров до 5 миллиметров. Полые стеклянные микросферы, иногда называемые микробаллонами или стеклянными пузырями, имеют диаметр от 10 до 300 микрометров. Полые сферы используются в качестве легкого наполнителя в композитных материалах, таких как синтетические пены и легкий бетон. Микробаллоны придают синтетическим пенам малый вес, низкую теплопроводность и устойчивость к сжимающим усилиям, значительно превосходящую аналогичные характеристики других пен. Эти свойства используются в корпусах подводных аппаратов и оборудования для глубоководного бурения нефти, где другие типы пен разрушились бы под давлением. Полые сферы из других материалов позволяют создавать синтетические пены с различными свойствами: например, керамические баллоны могут использоваться для производства легкой синтетической алюминиевой пены. Полые сферы также применяются для хранения и медленного высвобождения фармацевтических препаратов и радиоактивных индикаторов, а также в исследованиях, связанных с контролируемым хранением и высвобождением водорода. Микросферы также используются в композитах для заполнения полимерных смол, обеспечивая определенные характеристики, такие как вес, шлифуемость и герметизация поверхностей. Например, при изготовлении досок для серфинга мастера запечатывают заготовки из EPS-пены эпоксидной смолой и микробаллонами, чтобы создать непроницаемую и легко шлифуемую поверхность для нанесения стекловолоконных ламинатов. Стеклянные микросферы можно получать путем нагрева мельчайших капель водного стекла в процессе, известном как ультразвуковой пиролиз (УЗП). Свойства материала можно несколько улучшить, проводя химическую обработку для удаления части натрия. Снижение содержания натрия также позволило использовать полые стеклянные микросферы в химически чувствительных смоловых системах, таких как эпоксидные смолы с длительным сроком жизни или не вспененные полиуретановые композиты. Для повышения прочности межфазной связи матрицы и микросфер (типичное место разрушения при растяжении) на поверхность полых стеклянных микросфер часто наносят дополнительные функциональные покрытия, такие как силановые. Микросферы из высококачественного оптического стекла могут быть произведены для исследований в области оптических резонаторов или полостей. Стеклянные микросферы также образуются как побочный продукт на угольных электростанциях. В этом случае продукт обычно называют "ценосферой" и он имеет химический состав алюмосиликата (в отличие от натриево-кремнеземного состава сферических частиц, полученных искусственным путем). Небольшое количество кремнезема, содержащегося в угле, расплавляется, и, поднимаясь вверх по дымовой трубе, расширяется, образуя мелкие полые сферы. Эти сферы собираются вместе с золой, которая в виде водной смеси откачивается в зольник. Часть частиц не становится полой и оседает в зольнике, а полые частицы плавают на поверхности. Они создают неудобства, особенно при высыхании, так как становятся воздушными и разносятся по окрестностям.

Glass microspheres are microscopic spheres of glass manufactured for a wide variety of uses in research, medicine, consumer goods and various industries. Glass microspheres are usually between 1 and 1000 micrometers in diameter, although the sizes can range from 100 nanometers to 5 millimeters in diameter. Hollow glass microspheres, sometimes termed microballoons or glass bubbles, have diameters ranging from 10 to 300 micrometers. Hollow spheres are used as a lightweight filler in composite materials such as syntactic foam and lightweight concrete. Microballoons give syntactic foam its light weight, low thermal conductivity, and a resistance to compressive stress that far exceeds that of other foams. These properties are exploited in the hulls of submersibles and deep sea oil drilling equipment, where other types of foam would implode. Hollow spheres of other materials create syntactic foams with different properties: ceramic balloons e. g. can make a light syntactic aluminium foam. Hollow spheres also have uses ranging from storage and slow release of pharmaceuticals and radioactive tracers to research in controlled storage and release of hydrogen. Microspheres are also used in composites to fill polymer resins for specific characteristics such as weight, sandability and sealing surfaces. When making surfboards for example, shapers seal the EPS foam blanks with epoxy and microballoons to create an impermeable and easily sanded surface upon which fiberglass laminates are applied. Glass microspheres can be made by heating tiny droplets of dissolved water glass in a process known as ultrasonic spray pyrolysis (USP), and properties can be improved somewhat by using a chemical treatment to remove some of the sodium. Sodium depletion has also allowed hollow glass microspheres to be used in chemically sensitive resin systems, such as long pot life epoxies or non blown polyurethane composites. Additional functionalities, such as silane coatings, are commonly added to the surface of hollow glass microspheres to increase the matrix/microspheres interfacial strength (the common failure point when stressed in a tensile manner). Microspheres made of high quality optical glass, can be produced for research on the field of optical resonators or cavities. Glass microspheres are also produced as waste product in coal fired power stations. In this case the product would be generally termed "cenosphere" and carry an aluminosilicate chemistry (as opposed to the sodium silica chemistry of engineered spheres). Small amounts of silica in the coal are melted and as they rise up the chimneystack, expand and form small hollow spheres. These spheres are collected together with the ash, which is pumped in a water mixture to the resident ash dam. Some of the particles do not become hollow and sink in the ash dams, while the hollow ones float on the surface of the dams. They become a nuisance, especially when they dry, as they become airborne and blow over into surrounding areas.

Применение

Микросферы используются для создания фокусных областей, известных как фотонные наноструи, размеры которых достаточно велики для поддержания внутренних резонансов, но при этом достаточно малы, чтобы геометрическая оптика не могла быть применена для изучения их свойств. Предыдущие исследования экспериментально и с помощью моделирования продемонстрировали использование микросфер для увеличения интенсивности сигнала, получаемого в различных экспериментах. Подтверждение существования фотонного струя в микроволновом диапазоне было получено при наблюдении за усилением обратного рассеяния, которое происходило при введении металлических частиц в область фокуса. Измеримое усиление обратного рассеяния света в видимом диапазоне было достигнуто при размещении золотой наночастицы внутри фотонной наноструи, созданной диэлектрической микросферой диаметром 4,4 мкм. Также был проанализирован вопрос об использовании наноструй, создаваемых прозрачными микросферами, для возбуждения оптически активных материалов в процессах преобразования частоты с различным числом возбуждающих фотонов. Монодисперсные стеклянные микросферы обладают высокой сферичностью и очень узким распределением по размерам частиц, часто с CV <10% и спецификацией, согласно которой >95% частиц находятся в заданном диапазоне размеров. Монодисперсные стеклянные частицы часто используются в качестве спейсеров в клеях и покрытиях, например, в качестве спейсеров линии склеивания в эпоксидных смолах. Небольшое количество монодисперсных микросфер, предназначенных для использования в качестве спейсеров, может создавать контролируемый зазор, а также определять и поддерживать заданную толщину линии склеивания. Спейсерные частицы также могут использоваться в качестве эталонных стандартов и трассерных частиц для квалификации медицинских изделий. Высококачественные сферические стеклянные микросферы широко применяются в газоплазменных дисплеях, автомобильных зеркалах, электронных дисплеях, технологии flip-chip, фильтрах, микроскопии и электронном оборудовании. Другие области применения включают синтаксические пены, композиты с наполнителями и отражающие краски.

Доставка микросфер

Выделение микросфер может быть сложной задачей. При использовании микросфер в качестве наполнителя для стандартных смесительных и дозирующих машин, уровень разрушения может достигать 80%, в зависимости от таких факторов, как выбор насоса, вязкость материала, интенсивность перемешивания и температура. Специализированные дозаторы для материалов, содержащих микросферы, могут снизить уровень разрушения микросфер до минимального значения. В качестве насоса для дозирования материалов с микросферами предпочтительно использовать насос с прогрессивной полостью, который может уменьшить разрушение микросфер на 80%.