Статьи
про здоровье
и изделия
с микросферами

Введение — стекло микросфера

Краткий обзор композитных материалов

Композитные материалы, объединяющие в себе различные компоненты для достижения улучшенных характеристик, представляют собой широкий класс материалов, находящих применение в различных отраслях промышленности в том числе и стекло микросфера.
Они классифицируются по структуре (слоистые, волокнистые, упрочненные частицами) и по типу матрицы (полимерная, керамическая, металлическая) [Источник: PCGroup]. Среди волокнистых композитов выделяются ДВП, МДФ, ЛДСП, кевлар, а среди слоистых — триплексные стекло микросфера. Упрочненные частицами композиты делятся на классы в зависимости от размера и количества частиц-наполнителей.

Полимерные композиты, составляющие самый большой класс, используют термопласты и термореактивные смолы в качестве матрицы. Стеклопластики, углепластики и боропластики являются примерами полимерных композитов, каждый из которых обладает уникальными свойствами, такими как оптическая и радиопроницаемость, высокая прочность и хорошие электроизолирующие свойства для стеклопластиков; легкость, прочность и стабильность размеров при изменении температур для углепластиков; а также твердость и износостойкость для боропластиков.

Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей открывают новые возможности для создания материалов с высокой прочностью, жаропрочностью и другими специальными свойствами. Волокна, жгуты, нити и многослойные ткани используются в качестве армирующих материалов, позволяя создавать композиты с требуемыми характеристиками [Источник: ПластЭксперт].

Экономическая эффективность применения композиционных материалов неоспорима. Они находят применение в авиации, космической технике, автомобилестроении, гражданском строительстве и других областях. Обеспечивая новый качественный скачок в развитии технологий и уменьшении массы изделий. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана. Что способствует их широкому распространению и использованию в различных сферах промышленности.

Значение микросфер для современных технологий

Применение микросфер в различных областях

1. Композитные материалы

В производстве композитных материалов микросферы используются как наполнители для улучшения механических свойств. Таких как прочность и жесткость, при одновременном снижении веса изделий. Это особенно важно для авиационной и автомобильной промышленности. Где сокращение массы напрямую влияет на эффективность топливопотребления и эмиссию углекислого газа.

2. Лакокрасочная промышленность

В лакокрасочной промышленности микросферы применяются для создания красок и покрытий с улучшенными свойствами:
повышенной адгезией, устойчивостью к истиранию и способностью отражать ультрафиолетовые лучи. Это делает их идеальными для использования в защитных покрытиях для зданий и транспортных средств.

3. Медицина

В медицине микросферы находят применение в качестве носителей лекарственных веществ. Ообеспечивая контролируемый и целенаправленный доставку активных компонентов к определенным органам или тканям. Это повышает эффективность лечения и снижает риск побочных эффектов.

4. Нефтегазовая промышленность

Да, в нефтегазовой отрасли микросферы используются для увеличения эффективности добычи углеводородов за счет снижения плотности буровых растворов. Что позволяет уменьшить нагрузку на пласт и предотвратить его обрушение.

5. Аэрокосмическая промышленность

Также в аэрокосмической промышленности микросферы применяются для создания легких и прочных конструкционных материалов. а также теплоизоляционных покрытий, способных выдерживать экстремальные температуры.

6. Электроника

В электронике микросферы используются для производства легких и прочных корпусов устройств. А также в качестве наполнителей для компаундов, обеспечивающих защиту чувствительных компонентов от механических повреждений и вибраций.

Основы стекла микросферы

Что такое стекло микросфера?

Стеклянные полые микросферы — это инновационный материал, представляющий собой белый сыпучий порошок, состоящий из тонкостенных полых шариков правильной сферической формы. Эти микрошарики имеют диаметр от 2 до 200 мкм и толщину стенки менее 2 мкм. Они обладают уникальным сочетанием свойств, включая низкую плотность, высокую прочность, идеальную сферическую форму, высокую адгезию к полимерным материалам, высокую герметичность по отношению к воде, радиопрозрачность, а также низкую теплопроводность. Эти характеристики делают стеклянные микросферы идеальным выбором для широкого спектра применений в различных отраслях промышленности. [Источник: Inoteck].

Применение стеклянных полых микросфер

1. Легкие конструкционные материалы: Использование в качестве наполнителя для создания легких и прочных конструкционных материалов.
2. Авиационно-космическая промышленность: Производство облегченных материалов для авиации и космоса.
3. Радиотехника и электроника: Создание композиционных материалов для радиотехнических и электронных устройств.
4. Строительство: Применение в качестве легкого наполнителя для цементов и других строительных материалов.
5. Нефтегазовая отрасль: Использование в буровых растворах для цементирования нефтяных скважин.
6. Производство взрывчатых веществ: Как эффективная добавка для улучшения свойств взрывчатых материалов.
7. Медицинская индустрия: Производство слепочных и формовочных масс для стоматологии.

Стеклянные микросферы обеспечивают высокую механическую прочность и твердость при сжатии, водостойкость, низкую теплопроводность. А таже хорошую текучесть, электроизоляционные свойства и высокую химическую стабильность. Эти свойства делают их эффективным многофункциональным наполнителем для множества материалов. Включая мастики, герметики, компаунды, шпатлевки, краски, облегченные бетоны и многое другое. Особенно перспективным является их использование в создании многослойных композитных материалов (сэндвич-конструкций). Где они позволяют существенно снизить плотность и вес изделий, сохраняя при этом высокие эксплуатационные характеристики. [Источник: SammaS].

Таким образом, стеклянные полые микросферы являются высокотехнологичным продуктом, находящим широкое применение в современных технологиях благодаря своим уникальным свойствам, а также и возможности улучшения характеристик различных материалов и изделий.

Преимущества использования микросфер

1. Снижение веса

Микросферы обладают низкой плотностью, что позволяет существенно уменьшить вес композитных материалов и изделий без ущерба для их прочности. Это особенно важно для авиационной, автомобильной и космической промышленности. Где снижение веса напрямую влияет на эффективность использования топлива и общую производительность.

2. Улучшение механических свойств

Добавление микросфер в композитные материалы может улучшить их механические свойства, такие как прочность на сжатие и жесткость, при этом сохраняя легкость изделий. Это делает их идеальными для использования в конструкционных материалах. Где требуются высокая прочность и низкий вес.

3. Тепло- и звукоизоляционные свойства

Благодаря своей структуре, микросферы обладают отличными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Это делает их полезными в строительстве, автомобилестроении и производстве бытовой техники, где необходима эффективная изоляция.

4. Улучшение обрабатываемости материалов

Микросферы могут улучшить текучесть и обрабатываемость композиционных материалов, облегчая их формовку и обработку. Это упрощает производственный процесс и снижает затраты на изготовление изделий.

5. Химическая стойкость

Микросферы, особенно стеклянные, обладают высокой химической стойкостью, что позволяет использовать их в агрессивных средах, включая кислоты, щелочи и растворители. Это расширяет область их применения в химической промышленности и производстве защитных покрытий.

6. Экологичность

Микросферы являются экологически безопасными и могут способствовать созданию «зеленых» материалов и технологий. Их использование помогает снизить общий углеродный след производства за счет уменьшения веса изделий и сокращения энергопотребления.

7. Экономическая выгода

Использование микросфер может снизить стоимость производства за счет уменьшения количества дорогостоящих полимеров или других материалов, необходимых для достижения желаемых свойств конечного продукта. Кроме того, снижение веса изделий может уменьшить транспортные расходы.

Виды микросфер

Микросферы кремния

Микросферы кремния — это микроскопические сферические частицы, состоящие в основном из диоксида кремния (SiO2) или кремнезема. Они могут быть как полными, так и полыми внутри. Эти микросферы обладают высокой термической стабильностью, химической инертностью и механической прочностью. Кремниевые микросферы могут быть использованы в различных промышленных и научных приложениях благодаря своим уникальным свойствам.

Преимущества микросфер кремния

1. Термическая стабильность:
   Микросферы кремния выдерживают высокие температуры. Что делает их подходящими для использования в процессах и материалах, подвергающихся термической обработке.
2. Химическая инертность:
   Благодаря своему химическому составу, микросферы кремния устойчивы к большинству химических веществ, что позволяет их использовать в агрессивных средах.
3. Механическая прочность:
   Микросферы кремния обладают хорошей механической прочностью, что увеличивает долговечность и износостойкость композитных материалов.
4. Низкая плотность:
   Полые микросферы кремния могут существенно снизить плотность композитных материалов, сохраняя при этом их механические свойства.
5. Улучшение реологических свойств:
   Добавление микросфер кремния в жидкие или полужидкие составы может улучшить их текучесть и обрабатываемость.

Области применения микросфер кремния

• Композитные материалы:
  Укрепление полимеров, смол, пластиков и резин для улучшения их механических свойств и снижения веса.
• Краски и покрытия:
  Использование в качестве наполнителей для создания износостойких и термостойких красок и покрытий.
• Аэрокосмическая промышленность: Производство легких и прочных материалов для космических и авиационных конструкций.
• Электроника: Использование в качестве наполнителей для производства изоляционных и теплопроводящих материалов.
• Медицина: Применение в качестве носителей для доставки лекарственных веществ и в биомедицинских исследованиях.

Применение и особенности

Полые стеклянные микросферы

Технологические преимущества

1. Снижение веса

Одно из главных преимуществ полых стеклянных микросфер — их способность существенно снижать вес композитных материалов. Благодаря своей низкой плотности, они идеально подходят для создания легких, но прочных материалов. Что особенно важно для авиационной, автомобильной и космической промышленности.

2. Улучшение механических свойств

Полые стеклянные микросферы могут улучшать такие механические свойства композитов, как прочность на сжатие и ударную вязкость, при этом не увеличивая их вес. Это делает их ценным компонентом для производства высокопрочных материалов.

3. Тепло- и звукоизоляционные свойства

Благодаря своей уникальной структуре, полые стеклянные микросферы обладают отличными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Ччто делает их идеальными для использования в строительстве, автомобилестроении и производстве бытовой техники.

4. Улучшение обрабатываемости

Добавление микросфер в композитные материалы может улучшить их обрабатываемость, облегчая формовку и обработку, что важно для снижения производственных затрат и упрощения технологических процессов.

5. Повышение химической стойкости

Стеклянные микросферы обладают высокой химической стойкостью, что позволяет использовать их в агрессивных средах и в производстве химически стойких материалов.

6. Экологичность

Полые стеклянные микросферы являются экологически безопасными и не выделяют вредных веществ, что делает их предпочтительным выбором для «зеленых» технологий и материалов.

Области применения:

• Композитные материалы: Укрепление полимеров, смол, пластиков и резин для улучшения их механических свойств и снижения веса.
• Лакокрасочная промышленность: Создание легких и долговечных красок и покрытий.
• Строительство: Производство легких строительных материалов с улучшенными тепло- и звукоизоляционными свойствами.
• Нефтегазовая отрасль: Использование в буровых растворах для уменьшения их плотности и предотвращения обрушения скважин.
• Автомобилестроение и авиация: Производство легких и прочных деталей и компонентов.

Технологии производства микросфер

Процесс изготовления микросфер

Процесс производства микросфер, включая полые стеклянные микросферы, является высокотехнологичным и требует точного контроля качества на каждом этапе. Микросферы могут быть изготовлены из различных материалов, но наиболее распространены стеклянные и керамические микросферы. Процесс изготовления включает несколько ключевых этапов:

1. Подготовка сырья

Первым шагом является подготовка сырьевой смеси, которая обычно состоит из стекольной муки (для стеклянных микросфер), различных минеральных добавок и химических веществ, которые обеспечивают необходимые свойства готового продукта, такие как цвет, прочность и теплостойкость.

2. Плавление

Сырьевая смесь подвергается плавлению в печах при высокой температуре. В этот момент происходит формирование жидкой массы, из которой в дальнейшем будут сформированы микросферы.

3. Формирование микросфер

Существует несколько методов формирования микросфер из расплавленной массы. Один из наиболее распространенных — центробежный метод, при котором жидкое стекло распыляется во вращающейся камере, где образуются капли, которые застывают в форме сфер под действием центробежной силы. Другой метод — распыление расплава через специальные форсунки с использованием газа или воздуха. Что также приводит к образованию капель, которые затем застывают в форме сфер.

4. Охлаждение и отверждение

После формирования стекло микросферы охлаждаются и отверждаются. Этот процесс может включать медленное охлаждение в контролируемой атмосфере для предотвращения появления трещин и обеспечения равномерности свойств по всему объему микросфер.

5. Классификация и упаковка

Готовые микросферы классифицируются по размеру с использованием сит и вибрационных столов. После классификации микросферы упаковываются для хранения и транспортировки.

Уникальные свойства и области применения

Полые стеклянные микросферы обладают рядом уникальных свойств, таких как низкая плотность, высокая прочность на сжатие, тепло- и звукоизоляционные характеристики, что делает их идеальными для использования в композитных материалах, лакокрасочной промышленности, строительстве, нефтегазовой отрасли и многих других областях.

 Инновационные методы улучшения качества

1. Цифровая трансформация

• Интеграция Интернета вещей (IoT):
  Сбор и анализ данных с помощью устройств IoT для мониторинга и оптимизации производственных процессов в реальном времени.
• Использование больших данных и аналитики:
  Анализ больших объемов данных для выявления тенденций, предсказания отказов оборудования и оптимизации цепочек поставок.
• Применение искусственного интеллекта и машинного обучения:
  Автоматизация процессов принятия решений и улучшение качества продукции за счет предсказательного анализа и адаптивного контроля.

2. Производственные инновации

• Бережливое производство (Lean Manufacturing):
  Минимизация отходов и непроизводительных операций для повышения эффективности и сокращения затрат.
• Концепция Six Sigma:
  Стратегия управления качеством, направленная на снижение количества дефектов до 3,4 на миллион возможностей путем систематического устранения причин ошибок.
• Гибкое производство (Agile Manufacturing):
  Повышение гибкости производственных процессов для быстрой адаптации к изменениям на рынке и индивидуальным требованиям клиентов.

3. Улучшение качества продукции стекло микросфер

• Контроль качества на всех этапах производства:
  Внедрение систем автоматического контроля и самоконтроля на каждом этапе производства для предотвращения дефектов.
• Разработка и применение новых материалов:
  Исследование и использование инновационных материалов с улучшенными свойствами для повышения качества и долговечности продукции.
• Применение компьютерного моделирования и симуляции:
  Использование программного обеспечения для моделирования производственных процессов и тестирования продуктов в виртуальной среде перед запуском в производство.

4. Устойчивое развитие и экологичность

• Экологически чистое производство:
  Разработка и внедрение технологий, минимизирующих воздействие на окружающую среду. Ввключая сокращение выбросов и использование возобновляемых источников энергии.
• Рециркуляция и повторное использование материалов:
  Создание замкнутых циклов производства, где отходы одного процесса используются как ресурсы для другого.

5. Улучшение взаимодействия с клиентами

• Персонализация продуктов и услуг:
  Использование данных о клиентах для создания индивидуализированных предложений, удовлетворяющих уникальные потребности и предпочтения.
• Улучшение послепродажного обслуживания:
  Разработка программ лояльности, предоставление качественной технической поддержки и обеспечение удобных условий возврата и обмена товаров.

Применение в композитных материалах стекло микросфер

Укрепление композитных структур

1. Улучшение механических свойств:
   Микросферы могут значительно увеличить прочность и жесткость композитных материалов при сжатии и изгибе, не увеличивая их массу. Это особенно важно для приложений, где требуется высокая прочность при минимальном весе.
2. Снижение плотности:
   Полые стекло микросферы позволяют снизить общую плотность композитных материалов, что приводит к уменьшению веса изделий. Это критически важно для авиационной и автомобильной промышленности, где снижение веса напрямую связано с улучшением топливной эффективности и производительности.
3. Термическая стабильность:
   Микросферы обладают высокой термической стабильностью, что позволяет использовать композитные материалы в условиях высоких температур. Это делает их подходящими для применения в аэрокосмической промышленности и производстве высокотемпературных компонентов.
4. Улучшение ударной вязкости:
   Включение микросфер в композиты может улучшить их способность поглощать энергию удара, что повышает ударную вязкость и сопротивление трещинообразованию.
5. Улучшение акустических свойств:
   Полые микросферы могут улучшить звукоизоляционные свойства композитных материалов, что делает их идеальными для использования в строительстве и производстве автомобилей.

 Улучшение тепло- и звукоизоляционных свойств

Снижение веса и повышение прочности

Теплоизоляция стекло микросферы

1. Низкая Теплопроводность: Полые микросферы содержат воздух или другой газ внутри, который является плохим проводником тепла. Это снижает общую теплопроводность композитного материала, делая его эффективным теплоизолятором.
2. Отражение Теплового Излучения:
   Стеклянные и керамические микросферы могут отражать тепловое излучение благодаря своей гладкой и отражающей поверхности. Что дополнительно улучшает теплоизоляционные свойства.
3. Уменьшение Тепловых Мостиков:
   Включение стекло микросферы в композитные материалы помогает равномерно распределить тепловые нагрузки и уменьшить количество тепловых мостиков, через которые может происходить теплопередача.

Звукоизоляция

1. Поглощение Звука:
   Полые микросферы могут поглощать звуковые волны благодаря своей полой структуре, что уменьшает уровень шума, проходящего через материал.
2. Рассеивание Звуковых Волн:
   Нерегулярное распределение микросфер в композитном материале способствует рассеиванию звуковых волн. Что уменьшает их интенсивность и улучшает звукоизоляционные свойства.
3. Уменьшение Резонанса:
   Интеграция микросфер может изменить акустические свойства материала. уменьшая его способность к резонансу и тем самым снижая передачу звука.

Области Применения

• Строительство:
  Использование в качестве изоляционных материалов в стенах, полах и крышах для улучшения тепло- и звукоизоляции зданий.
• Автомобильная Промышленность:
  Применение в качестве легких и эффективных изоляционных материалов в автомобильных салонах. Для снижения уровня шума и улучшения теплокомфорта.
• Аэрокосмическая Отрасль:
  Использование для изоляции космических аппаратов и самолетов от экстремальных температур и шума двигателей.
• Производство Бытовой Техники:
  Внедрение в корпуса бытовой техники для уменьшения шума от их работы и улучшения теплоизоляции.

Интересные материалы по теме, посмотреть здесь

Основные Пункты:

• Цель исследования:
  Изучение влияния полых стекло микросфера на свойства фасадных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов при замене в рецептуре оксида титана и карбоната кальция на эквивалентное объемное количество сфер.
• Ключевые характеристики полых стеклянных микросфер (ПСМ):
  Тонкостенные стеклянные частицы сферической формы диаметром 10 — 200 мкм, насыпная плотность 70 — 400 кг/м³, влажность порошков не превышает 0,5%.
• Преимущества ПСМ:
  Уникальное сочетание сферической формы, контролируемых размеров, низкой плотности и относительно высокой прочности на всестороннее сжатие. А также хорошие тепло-, звукоизоляционные и диэлектрические свойства.
• Применение ПСМ:
  Позволяет модифицировать теплофизические свойства композитов. Улучшить технологические условия переработки полимеров, снизить усадку, вязкость наполненных полимерных композиций, обеспечить стабильность размеров формируемых изделий, уменьшить износ формующего оборудования.
• Экономическая выгода:
  Несмотря на относительно высокую стоимость ПСМ по сравнению с другими типами наполнителей, их применение экономически выгодно за счет экономии дорогостоящего сырья и придания новых свойств изготавливаемым материалам.

Результаты Исследования:

• Замена оксида титана и карбоната кальция на ПСМ в рецептуре водно-дисперсионных красок не ухудшает адгезию и стойкость к статическому воздействию воды.
• Отмечается снижение сухого остатка и плотности краски, что положительно сказывается на расходе лакокрасочного материала и его стоимости.

Покрытия, содержащие стекло микросфера, более гидрофобны, чем стандартная краска. Что снижает влагопоглощение и замедляет скорость разрушения краски.

Еще один интересный материал здесь.

Основные Выводы:

• Рыночная стоимость:
  Мировой рынок микросфер ожидается достигнуть 5,2 млрд. долларов США к 2018 году.
• Лидер рынка:
  США являются мировым лидером по потреблению прогрессивных материалов и крупнейшим рынком микросфер.
• Рост рынка:
  Ожидается значительный рост американского рынка в ближайшие годы.
• Факторы роста:
  Высокий спрос в текущих и новых сферах применения, улучшенные структурные характеристики продукции. Пригодность для вторичного использования, развитие и обновление инфраструктуры.
• Сдерживающие факторы:
  Колебание цен на сырье, недостаточный контроль качества в развивающихся странах. Необходимость больших инвестиций в научные исследования.
• Региональный рост:
  Азиатско-Тихоокеанский регион, особенно Китай, демонстрирует быстрый рост. Латинская Америка также показывает высокие темпы роста за счет увеличения инфраструктурных затрат.
• Ведущие игроки: 3M является третьим по величине игроком рынка по оптовым продажам. Большинство компаний на рынке малы и производят продукцию по специальным требованиям заказчика.
• Основные сферы применения:
  Медицинская отрасль будет ведущей сферой применения микросфер. Стеклянные микросферы, благодаря своим преимуществам, широко используются в различных отраслях, включая косметику, товары личной гигиены, краски и покрытия, нефтегазовую и аэрокосмическую промышленность.

Еще один интересный материал по теме, скачать здесь оригинал.

Основные Пункты:

• Цель исследования:
  Разработка составов стекол для изготовления полых стеклянных микросфер и изучение основных физико-технических характеристик. А также зависимости свойств от состава стекол.
• Преимущества полых стеклянных микросфер (ПСМ):
  Уникальное сочетание сферической формы, контролируемых размеров, низкой плотности. Хороших тепло-, звукоизоляционных и диэлектрических свойств делает ПСМ важным техногенным сверхлегким наполнителем.
• Области применения ПСМ:
  Включают получение композиционных материалов на основе полимеров, создание защитных поверхностных слоев, производство лаков и красок. Использование в полимерных и эпоксидных заливочных компаундах, изготовление звуко- и теплоизоляционных материалов, и многие другие.
• Основа производства ПСМ:
  Создание условий для растворения в расплаве стекла неразложившихся газообразующих компонентов. И выделение их в результате последующей диссоциации при повторном нагреве стекла.
• Оптимальные составы стекол:
  Для получения ПСМ должны быть достаточно легкоплавкими, с температурами синтеза не выше 1350 — 1380 °С, обеспечивая высокое содержание оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, а также наличие в составе B2O3.

Результаты Исследования:

• Получение ПСМ:
  Используя оптимальный состав стекла, на плазменной установке была изготовлена опытная партия полых стеклянных микросфер размером 20 — 200 мкм, средний диаметр ПСМ находился в пределах 75 мкм при толщине стенки 1 — 2 мкм, насыпная плотность ПСМ 252 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,06 — 0,08 Вт/(м-К).
• Важность реологических свойств:
  Одним из существенных требований к стеклам для получения ПСМ является пониженная энергия активации вязкого течения и сравнительно низкие температуры ликвидуса — не выше 1050 °С при значениях вязкости 10^2 Па·с.