أخبار

كريات زجاجية مجوفة مجهريةوموادها المركبة

تتكون مواد الطفو الصلبة عالية القوة المستخدمة في تطبيقات أعماق البحار عمومًا من وسائط تنظيم الطفو (كرات مجهرية مجوفة) ومركبات راتنجية عالية القوة. عالميًا، تصل كثافة هذه المواد إلى 0.4-0.6 غ/سم³ وقوة انضغاط تتراوح بين 40 و100 ميجا باسكال، وقد شاع استخدامها في مختلف معدات أعماق البحار. الكرات المجهرية المجوفة هي مواد هيكلية خاصة مملوءة بالغاز. وبناءً على تركيبها المادي، تُقسم بشكل رئيسي إلى كرات مجهرية مركبة عضوية وكرات مجهرية مركبة غير عضوية. يشهد البحث في الكرات المجهرية المركبة العضوية نشاطًا ملحوظًا، حيث تتضمن التقارير كرات مجهرية مجوفة من البوليسترين وأخرى من بولي ميثيل ميثاكريلات. أما المواد المستخدمة في تحضير الكرات المجهرية غير العضوية فتشمل بشكل أساسي الزجاج والسيراميك والبورات والكربون وكرات الرماد المتطاير المجوفة.

الكريات الزجاجية المجوفة: التعريف والتصنيف

الكريات الزجاجية المجوفة هي نوع جديد من المواد المسحوقة الكروية غير العضوية وغير المعدنية، تتميز بخصائص ممتازة مثل صغر حجم الجسيمات، والشكل الكروي، وخفة الوزن، والعزل الصوتي، والعزل الحراري، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية. وقد شاع استخدام الكريات الزجاجية المجوفة في مواد الفضاء، ومواد تخزين الهيدروجين، ومواد الطفو الصلبة، ومواد العزل الحراري، ومواد البناء، والدهانات والطلاءات. وهي تُصنف عمومًا إلى فئتين:

① يمكن الحصول على الكريات المجوفة، المكونة أساسًا من ثاني أكسيد السيليكون وأكاسيد المعادن، من الرماد المتطاير الناتج عن توليد الطاقة في محطات الطاقة الحرارية. ورغم أن الكريات المجوفة أقل تكلفة، إلا أنها تتميز بنقاوة منخفضة، وتوزيع واسع لحجم الجسيمات، وكثافة جسيمات تتجاوز عمومًا 0.6 غ/سم³، مما يجعلها غير مناسبة لتحضير مواد الطفو لتطبيقات أعماق البحار.

٢- كريات زجاجية دقيقة مصنعة صناعياً، يمكن التحكم في قوتها وكثافتها وخصائصها الفيزيائية والكيميائية الأخرى عن طريق ضبط معايير العملية وتركيبات المواد الخام. على الرغم من ارتفاع تكلفتها، إلا أنها تتمتع بنطاق أوسع من التطبيقات.

خصائص الكريات المجهرية الزجاجية المجوفة

إن الاستخدام الواسع النطاق للكرات الزجاجية المجوفة في مواد الطفو الصلبة لا ينفصل عن خصائصها الممتازة.

①كريات زجاجية مجوفة مجهريةتتميز هذه المواد ببنية داخلية مجوفة، مما ينتج عنه وزن خفيف وكثافة منخفضة وموصلية حرارية منخفضة. وهذا لا يقلل كثافة المواد المركبة بشكل كبير فحسب، بل يمنحها أيضًا خصائص عزل حراري وصوتي وكهربائي وبصري ممتازة.

٢- تتميز الكريات الزجاجية المجوفة بشكلها الكروي، مما يمنحها مزايا انخفاض المسامية (حشو مثالي) والحد الأدنى من امتصاص البوليمر، وبالتالي يكون تأثيرها ضئيلاً على سيولة المادة الأساسية ولزوجتها. وتؤدي هذه الخصائص إلى توزيع مناسب للإجهاد في المادة المركبة، مما يحسن صلابتها ومتانتها وثبات أبعادها.

٣- تتميز الكريات الزجاجية المجوفة الدقيقة بقوة عالية. وهي عبارة عن كريات رقيقة الجدران ومغلقة، يتكون غلافها بشكل أساسي من الزجاج، مما يمنحها قوة عالية. وهذا بدوره يزيد من قوة المادة المركبة مع الحفاظ على كثافة منخفضة.

طرق تحضير الكريات المجهرية الزجاجية المجوفة
توجد ثلاث طرق تحضير رئيسية:
① طريقة المسحوق: تُطحن مادة الزجاج أولاً، ثم يُضاف إليها عامل رغوي، وبعد ذلك تُمرر هذه الجزيئات الصغيرة عبر فرن ذي درجة حرارة عالية. عندما تلين الجزيئات أو تنصهر، يتولد غاز داخل الزجاج. ومع تمدد الغاز، تتحول الجزيئات إلى كرات مجوفة، تُجمع بعد ذلك باستخدام فاصل إعصاري أو مرشح كيسي.

② طريقة القطرات. عند درجة حرارة معينة، يتم تجفيف محلول يحتوي على مادة ذات نقطة انصهار منخفضة بالرش أو تسخينه في فرن رأسي عالي الحرارة، كما هو الحال في تحضير الكريات المجهرية شديدة القلوية.

③ طريقة الجل الجاف. تستخدم هذه الطريقة ألكوكسيدات عضوية كمواد خام، وتتضمن ثلاث عمليات: تحضير جل جاف، وطحنه، وتكوين رغوة عند درجة حرارة عالية. لكل من هذه الطرق الثلاث عيوبها: فطريقة المسحوق تُنتج معدلات تكوين حبيبات منخفضة، وطريقة القطرات تُنتج كريات مجهرية ضعيفة، وطريقة الجل الجاف تتطلب تكلفة عالية للمواد الخام.

ركيزة من مادة مركبة من كريات زجاجية مجوفة دقيقة وطريقة التركيب

لتكوين مادة طفو صلبة عالية القوة معكريات زجاجية مجوفة مجهريةيجب أن تتمتع مادة المصفوفة بخصائص ممتازة، مثل الكثافة المنخفضة، والقوة العالية، واللزوجة المنخفضة، والتشحيم الجيد مع الكريات المجهرية. تشمل مواد المصفوفة المستخدمة حاليًا راتنجات الإيبوكسي، وراتنجات البوليستر، وراتنجات الفينول، وراتنجات السيليكون. ومن بين هذه المواد، يُعد راتنج الإيبوكسي الأكثر استخدامًا في الإنتاج الفعلي نظرًا لقوته العالية، وكثافته المنخفضة، وانخفاض امتصاصه للماء، وانخفاض انكماشه أثناء التصلب. يمكن دمج الكريات المجهرية الزجاجية مع مواد المصفوفة من خلال عمليات التشكيل مثل الصب، والتشريب الفراغي، والتشكيل بنقل السوائل، وتكديس الجسيمات، والتشكيل بالضغط. من المهم التأكيد على أنه لتحسين حالة التلامس بين الكريات المجهرية والمصفوفة، يجب أيضًا تعديل سطح الكريات المجهرية، مما يُحسّن الأداء العام للمادة المركبة.