ガラス微小球
ガラスマイクロスフィアは、研究、医療、消費財、その他様々な産業において幅広い用途で製造される微小なガラス球です。ガラスマイクロスフィアの直径は通常1～1000マイクロメートルですが、100ナノメートルから5ミリメートルまでの範囲に及ぶこともあります。中空ガラスマイクロスフィアは、マイクロバルーンまたはガラスバブルとも呼ばれ、直径は10～300マイクロメートルです。
中空球は、シンタクティックフォームや軽量コンクリートなどの複合材料の軽量充填材として使用されています。[ 1 ]マイクロバルーンは、シンタクティックフォームに軽量、低熱伝導性、そして他のフォームをはるかに凌駕する圧縮応力耐性を与えます。 [ 2 ]これらの特性は、潜水艇や深海石油掘削装置 の船体など、他のタイプのフォームでは破裂してしまうような箇所で活用されています。他の材料の中空球は、異なる特性を持つシンタクティックフォームを作り出します。例えば、セラミックバルーンは軽量のシンタクティックアルミニウムフォームを作ることができます。[ 3 ]
中空球は、医薬品や放射性トレーサーの貯蔵と徐放から、水素の制御された貯蔵と放出の研究まで、幅広い用途があります。[ 4 ]マイクロスフィアは、重量、研磨性、表面のシーリングなどの特定の特性を得るために、複合材料にポリマー樹脂を充填する目的でも使用されます。例えばサーフボードを作る際、シェーパーはEPSフォームのブランクをエポキシとマイクロバルーンで密封し、不浸透性で研磨しやすい表面を作り、その上にグラスファイバーラミネートを貼り付けます。
ガラス微小球は、超音波噴霧熱分解（USP）と呼ばれるプロセスで溶解した水ガラスの小さな液滴を加熱することによって作ることができ、化学処理でナトリウムの一部を除去することで特性をいくらか改善することができます。[ 5 ]ナトリウムの減少により、中空ガラス微小球は、長いポットライフのエポキシ樹脂や非発泡ポリウレタン複合材 などの化学的に敏感な樹脂システムにも使用できるようになりました。
シランコーティングなどの追加機能は、通常、中空ガラスマイクロスフィアの表面に追加され、マトリックス/マイクロスフィアの界面強度（引張応力を受けたときの一般的な破損点）を高めます。
高品質の光学ガラスから作られた微小球は、光共振器や空洞の分野での研究のために製造することができます。[ 6 ]
石炭火力発電所では、ガラス微粒子も廃棄物として生成されます。この場合、この生成物は一般に「セノスフェア」と呼ばれ、アルミノケイ酸塩の化学的性質を持ちます（人工微粒子のシリカナトリウムの化学的性質とは対照的です）。石炭に含まれる少量のシリカが溶融し、煙突から上昇するにつれて膨張し、小さな中空微粒子を形成します。これらの微粒子は灰と共に回収され、灰は水と混合されて既存の灰集積場にポンプで送られます。粒子の中には中空にならず灰集積場に沈むものもあれば、中空微粒子は灰集積場の表面に浮かぶものもあります。これらは特に乾燥すると空気中に舞い上がり、周囲に吹き飛ばされるため、厄介な存在となります。
応用
マイクロスフィアは、フォトニックナノジェットとして知られる焦点領域[ 7 ]を生成するために使用されており、そのサイズは内部共鳴をサポートするのに十分な大きさであるが、同時にその特性を研究するために幾何光学を適用することができないほど小さい。これまでの研究では、マイクロスフィアを使用することで、様々な実験で得られる信号強度を高めることができることが実験的およびシミュレーションによって実証されている。マイクロ波スケールでのフォトニックジェットの確認は、焦点領域に金属粒子を導入したときに生じる後方散乱の増強を観測することによって行われた。直径4.4 μmの誘電体マイクロスフィアによって生成されたフォトニックナノジェット領域内に金ナノ粒子を配置すると、可視領域における後方散乱光の測定可能な増強が得られた。透明マイクロスフィアによって生成されたナノジェットを、異なる数の励起光子によるアップコンバージョンプロセス下で光活性材料を励起するために使用する方法についても分析されている。[ 8 ]
単分散ガラスマイクロスフィアは、高い真球度と非常に狭い粒度分布を特徴とし、多くの場合、CV<10%、および規定の粒度範囲における粒子の95%以上が規定の粒度範囲に収まるという特性を備えています。単分散ガラス粒子は、エポキシ樹脂のボンドラインスペーサーなど、接着剤やコーティング剤のスペーサーとして広く使用されています。スペーサーグレードの単分散マイクロスフィアを少量使用するだけで、制御された隙間を作り出すことができ、また、規定のボンドライン厚さを規定・維持することができます。スペーサーグレードの粒子は、医療機器の適格性評価における校正標準粒子やトレーサー粒子としても使用できます。高品質の球状ガラスマイクロスフィアは、ガスプラズマディスプレイ、自動車用ミラー、電子ディスプレイ、フリップチップ技術、フィルター、顕微鏡、電子機器などに広く使用されています。
その他の用途としては、合成フォーム[ 9 ]、粒子複合材料、反射塗料などがある。
マイクロスフェアの分配
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マイクロスフィアのディスペンシングは困難な作業となる場合があります。標準的な混合・ディスペンシング装置でマイクロスフィアを充填剤として使用する場合、ポンプの選択、材料の粘度、材料の撹拌、温度などの要因に応じて、最大80%の破損率が発生する可能性があります。マイクロスフィア充填材料用にカスタマイズされたディスペンサーを使用することで、マイクロスフィアの破損率を最小限に抑えることができます。マイクロスフィアを充填した材料のディスペンシングには、プログレッシブキャビティポンプが最適な選択肢であり、マイクロスフィアの破損を最大80%まで低減できます。
参照
参考文献
- ^「Whatever Floats Your Boat, Clemson Student Chapter of the American Society of Civil Engineers」Wayback Machineに2009年1月31日アーカイブ。ces.clemson.edu
- ^一般的なマイクロバルーンの密度は0.15～0.20 g/cm 3で、等方圧圧縮強度は300～500 psiです。より高密度で強度の高いフォームは、5500 psiの圧縮強度で密度0.38 g/cm 3、18,000 psiの圧縮強度で密度0.6 g/cm 3 （それでもかなりの浮力を維持）となります。
- ^レイ・エリクソン (1999年1月1日).最先端のフォーム. 機械工学-CIME
- ^ JE Shelby、MM Hall、FC Raszewski (2007).中空ガラスマイクロスフィアへの水素貯蔵のための根本的に新しい方法。Wayback Machineに2011年6月4日アーカイブ。DOE技術報告書FG26-04NT42170。
- ^磯部弘;徳永一郎；永井則義；金子勝己（2011）． 「含水ケイ酸ガラスマイクロバルーンの特性評価」。材料研究ジャーナル。11 (11): 2908。ビブコード: 1996JMatR..11.2908I。土井：10.1557/JMR.1996.0368。S2CID 136718493。
- ^光共振器
- ^ BS Luk'yanchuk他「屈折率2未満：フォトニックナノジェットの過去、現在、そして未来（招待講演）」Optical Materials Express、7(6)、1820（2017年）。
- ^ペレス・ロドリゲス、C.;イマニエ、MH;マルティン、LL;サウスカロライナ州リオス。マルティン、IR;イェクタ、ビジャン・エフテカリ（2013 年 11 月）。 「Er3+-Yb3+共ドープガラスセラミックのアップコンバージョンに対するシリカ微小球の集束効果の研究」。合金と化合物のジャーナル。576 : 363–368 .土井: 10.1016/j.jallcom.2013.05.222。
- ^ HS KimとMahammad Azhar Khamis、「中空マイクロスフィア/エポキシ樹脂複合材料の破壊と衝撃挙動」、Composites Part A: Applied Science and Manufacturing、Vol 32A、No 9、pp. 1311-1317、2001年。
