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Microesferas ocas de vidroe seus materiais compósitos

Materiais sólidos de alta resistência para aplicações em águas profundas são geralmente compostos por meios reguladores de flutuabilidade (microesferas ocas) e compósitos de resina de alta resistência. Internacionalmente, esses materiais atingem densidades de 0,4–0,6 g/cm³ e resistências à compressão de 40–100 MPa, sendo amplamente utilizados em diversos equipamentos para águas profundas. Microesferas ocas são materiais estruturais especiais preenchidos com gás. Com base em sua composição, elas são divididas principalmente em microesferas de compósito orgânico e microesferas de compósito inorgânico. A pesquisa sobre microesferas de compósito orgânico é mais ativa, com relatos que incluem microesferas ocas de poliestireno e microesferas ocas de polimetilmetacrilato. Os materiais utilizados para preparar microesferas inorgânicas incluem principalmente vidro, cerâmica, boratos, carbono e cenosesferas de cinzas volantes.

Microesferas ocas de vidro: definição e classificação

As microesferas ocas de vidro são um novo tipo de material inorgânico não metálico em forma de micropó esférico com excelentes propriedades, como tamanho de partícula pequeno, formato esférico, leveza, isolamento acústico, isolamento térmico, resistência ao desgaste e resistência a altas temperaturas. As microesferas ocas de vidro têm sido amplamente utilizadas em materiais aeroespaciais, materiais para armazenamento de hidrogênio, materiais de flutuação sólidos, materiais de isolamento térmico, materiais de construção e tintas e revestimentos. Elas são geralmente divididas em duas categorias:

① As cenossferas, compostas principalmente de SiO2 e óxidos metálicos, podem ser obtidas a partir das cinzas volantes produzidas durante a geração de energia em usinas termelétricas. Embora as cenossferas sejam menos dispendiosas, apresentam baixa pureza, ampla distribuição granulométrica e, em particular, densidade de partículas geralmente superior a 0,6 g/cm3, o que as torna inadequadas para a preparação de materiais de flutuabilidade para aplicações em águas profundas.

② Microesferas de vidro sintetizadas artificialmente, cuja resistência, densidade e outras propriedades físico-químicas podem ser controladas pelo ajuste dos parâmetros do processo e das formulações das matérias-primas. Embora mais caras, possuem uma gama mais ampla de aplicações.

Características das microesferas ocas de vidro

A ampla aplicação de microesferas ocas de vidro em materiais de flutuabilidade sólidos é indissociável de suas excelentes características.

①Microesferas ocas de vidroPossuem uma estrutura interna oca, resultando em baixo peso, baixa densidade e baixa condutividade térmica. Isso não apenas reduz significativamente a densidade dos materiais compósitos, como também lhes confere excelentes propriedades de isolamento térmico, acústico, elétrico e óptico.

② As microesferas ocas de vidro têm formato esférico, apresentando as vantagens de baixa porosidade (enchimento ideal) e mínima absorção de polímero pelas esferas, tendo, portanto, pouco impacto na fluidez e viscosidade da matriz. Essas características resultam em uma distribuição de tensão adequada no material compósito, melhorando assim sua dureza, rigidez e estabilidade dimensional.

③ As microesferas ocas de vidro possuem alta resistência. Essencialmente, as microesferas ocas de vidro são esferas seladas de paredes finas, com vidro como principal componente da casca, apresentando alta resistência. Isso aumenta a resistência do material compósito, mantendo uma baixa densidade.

Métodos de preparação de microesferas ocas de vidro
Existem três métodos principais de preparação:
① Método do pó. A matriz de vidro é primeiro pulverizada, adiciona-se um agente espumante e, em seguida, essas pequenas partículas são passadas por um forno de alta temperatura. Quando as partículas amolecem ou derretem, o gás é gerado dentro do vidro. À medida que o gás se expande, as partículas se transformam em esferas ocas, que são então coletadas usando um separador ciclônico ou um filtro de mangas.

② Método de gotículas. A uma determinada temperatura, uma solução contendo uma substância de baixo ponto de fusão é seca por pulverização ou aquecida em um forno vertical de alta temperatura, como na preparação de microesferas altamente alcalinas.

③ Método do gel seco. Este método utiliza alcóxidos orgânicos como matéria-prima e envolve três processos: preparação de um gel seco, pulverização e formação de espuma em alta temperatura. Todos os três métodos apresentam certas desvantagens: o método do pó produz baixas taxas de formação de grânulos, o método das gotas produz microesferas com baixa resistência e o método do gel seco tem alto custo de matéria-prima.

Substrato de material compósito de microesferas de vidro ocas e método de compósito

Para formar um material sólido de alta resistência e flutuabilidade commicroesferas ocas de vidroO material da matriz deve possuir excelentes propriedades, como baixa densidade, alta resistência, baixa viscosidade e boa lubricidade com as microesferas. Os materiais de matriz atualmente utilizados incluem resina epóxi, resina poliéster, resina fenólica e resina de silicone. Dentre estes, a resina epóxi é a mais utilizada na produção devido à sua alta resistência, baixa densidade, baixa absorção de água e baixa contração de cura. Microesferas de vidro podem ser incorporadas aos materiais da matriz por meio de processos de moldagem como fundição, impregnação a vácuo, moldagem por transferência de líquido, empilhamento de partículas e moldagem por compressão. É importante ressaltar que, para melhorar a condição interfacial entre as microesferas e a matriz, a superfície das microesferas também precisa ser modificada, melhorando assim o desempenho geral do material compósito.