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Microesferas de vidrio huecasy sus materiales compuestos

Los materiales de flotabilidad sólidos de alta resistencia para aplicaciones en aguas profundas generalmente están compuestos de medios reguladores de flotabilidad (microesferas huecas) y compuestos de resina de alta resistencia. A nivel internacional, estos materiales alcanzan densidades de 0,4–0,6 g/cm³ y resistencias a la compresión de 40–100 MPa, y se han utilizado ampliamente en diversos equipos para aguas profundas. Las microesferas huecas son materiales estructurales especiales llenos de gas. Según su composición material, se dividen principalmente en microesferas compuestas orgánicas y microesferas compuestas inorgánicas. La investigación sobre microesferas compuestas orgánicas es más activa, con informes que incluyen microesferas huecas de poliestireno y microesferas huecas de polimetilmetacrilato. Los materiales utilizados para preparar microesferas inorgánicas incluyen principalmente vidrio, cerámica, boratos, carbono y cenosferas de cenizas volantes.

Microesferas de vidrio huecas: definición y clasificación

Las microesferas huecas de vidrio son un nuevo tipo de material inorgánico no metálico en micropolvo esférico con excelentes propiedades, como su pequeño tamaño de partícula, forma esférica, ligereza, aislamiento acústico y térmico, resistencia al desgaste y resistencia a altas temperaturas. Se han utilizado ampliamente en materiales aeroespaciales, materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales de flotabilidad sólida, materiales de aislamiento térmico, materiales de construcción, pinturas y recubrimientos. Generalmente se dividen en dos categorías:

① Las cenósferas, compuestas principalmente de SiO₂ y óxidos metálicos, pueden obtenerse a partir de cenizas volantes producidas durante la generación de energía en centrales térmicas. Si bien son más económicas, presentan baja pureza, una amplia distribución del tamaño de partícula y, en particular, una densidad de partícula generalmente superior a 0,6 g/cm₃, lo que las hace inadecuadas para la preparación de materiales de flotabilidad para aplicaciones en aguas profundas.

② Microesferas de vidrio sintetizadas artificialmente, cuya resistencia, densidad y otras propiedades fisicoquímicas pueden controlarse mediante el ajuste de los parámetros del proceso y la formulación de las materias primas. Aunque son más caras, tienen una gama más amplia de aplicaciones.

Características de las microesferas huecas de vidrio

La amplia aplicación de microesferas de vidrio huecas en materiales de flotabilidad sólidos es inseparable de sus excelentes características.

①Microesferas de vidrio huecasTienen una estructura interna hueca, lo que resulta en ligereza, baja densidad y baja conductividad térmica. Esto no solo reduce significativamente la densidad de los materiales compuestos, sino que también les confiere excelentes propiedades de aislamiento térmico, acústico, eléctrico y óptico.

② Las microesferas de vidrio huecas tienen forma esférica y se caracterizan por su baja porosidad (relleno ideal) y mínima absorción de polímero, lo que reduce considerablemente la fluidez y la viscosidad de la matriz. Estas características permiten una distribución adecuada de la tensión en el material compuesto, mejorando así su dureza, rigidez y estabilidad dimensional.

③ Las microesferas de vidrio huecas son muy resistentes. En esencia, son esferas selladas de paredes delgadas, cuyo componente principal es el vidrio, lo que les confiere una alta resistencia. Esto aumenta la resistencia del material compuesto a la vez que mantiene una baja densidad.

Métodos de preparación de microesferas de vidrio huecas
Hay tres métodos principales de preparación:
① Método de polvo. Primero se pulveriza la matriz de vidrio, se añade un agente espumante y, a continuación, estas pequeñas partículas se pasan por un horno de alta temperatura. Cuando las partículas se ablandan o se funden, se genera gas dentro del vidrio. Al expandirse, las partículas se convierten en esferas huecas, que se recogen mediante un separador ciclónico o un filtro de mangas.

② Método de gotas. A una temperatura determinada, una solución que contiene una sustancia de bajo punto de fusión se seca por aspersión o se calienta en un horno vertical de alta temperatura, como en la preparación de microesferas altamente alcalinas.

③ Método de gel seco. Este método utiliza alcóxidos orgánicos como materia prima e implica tres procesos: preparación de un gel seco, pulverización y espumación a alta temperatura. Los tres métodos presentan ciertas desventajas: el método del polvo produce bajas tasas de formación de perlas, el método de gotas produce microesferas con baja resistencia y el método de gel seco tiene un alto costo de la materia prima.

Sustrato de material compuesto de microesferas de vidrio huecas y método compuesto

Para formar un material de flotabilidad sólido de alta resistencia conmicroesferas de vidrio huecasEl material de la matriz debe poseer excelentes propiedades, como baja densidad, alta resistencia, baja viscosidad y buena lubricidad con las microesferas. Los materiales de matriz utilizados actualmente incluyen resina epoxi, resina de poliéster, resina fenólica y resina de silicona. Entre estos, la resina epoxi es el más utilizado en la producción real debido a su alta resistencia, baja densidad, baja absorción de agua y baja contracción de curado. Las microesferas de vidrio se pueden combinar con materiales de matriz mediante procesos de moldeo como fundición, impregnación al vacío, moldeo por transferencia de líquidos, apilamiento de partículas y moldeo por compresión. Es importante destacar que para mejorar la condición de la interfaz entre las microesferas y la matriz, también es necesario modificar la superficie de las microesferas, mejorando así el rendimiento general del material compuesto.