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中空ガラス微小球およびその複合材料

深海用高強度固体浮力材は、一般的に浮力調整媒体（中空微小球）と高強度樹脂複合材料で構成されています。国際的には、これらの材料の密度は0.4～0.6 g/cm³、圧縮強度は40～100 MPaに達し、様々な深海機器に広く利用されています。中空微小球は、ガスを充填した特殊な構造材料です。材料組成に基づいて、主に有機複合微小球と無機複合微小球に分けられます。有機複合微小球の研究はより活発で、ポリスチレン中空微小球やポリメチルメタクリレート中空微小球などの報告があります。無機微小球の材料としては、主にガラス、セラミックス、ホウ酸塩、炭素、フライアッシュセノスフェアなどが挙げられます。

中空ガラスマイクロスフェア：定義と分類

中空ガラスマイクロスフィアは、粒子径が小さく、球形、軽量、遮音性、断熱性、耐摩耗性、耐高温性などの優れた特性を持つ、新しいタイプの無機非金属球状マイクロ粉末材料です。中空ガラスマイクロスフィアは、航空宇宙材料、水素貯蔵材料、固体浮力材、断熱材、建築材料、塗料・コーティング材などに広く利用されています。一般的に2つのカテゴリーに分けられます。

① セノスフェアは、主にSiO2と金属酸化物で構成され、火力発電所の発電時に発生するフライアッシュから得られます。セノスフェアは安価ですが、純度が低く、粒度分布が広く、特に粒子密度が一般的に0.6 g/cm3を超えるため、深海用途の浮力材の製造には適していません。

② 人工的に合成されたガラス微粒子。強度、密度、その他の物理化学的特性は、プロセスパラメータと原料配合を調整することで制御できます。価格は高くなりますが、用途はより広範囲にわたります。

中空ガラスマイクロスフェアの特性

中空ガラス微小球が固体浮力材料に広く応用されているのは、その優れた特性と切り離すことはできません。

①中空ガラス微小球内部が中空構造であるため、軽量、低密度、低熱伝導率を実現しています。これにより、複合材料の密度が大幅に低減されるだけでなく、優れた断熱性、遮音性、電気絶縁性、光学特性も得られます。

② 中空ガラスマイクロスフィアは球状であり、低気孔率（理想的なフィラー）とポリマー吸収性が低いという利点を有し、マトリックスの流動性や粘度への影響が最小限に抑えられます。これらの特性により、複合材料内の応力分布が適正化され、硬度、剛性、寸法安定性が向上します。

③ 中空ガラスマイクロスフィアは高い強度を有します。中空ガラスマイクロスフィアは、ガラスを主成分とする薄壁の密封球体であり、高い強度を有しています。これにより、低密度を維持しながら複合材料の強度が向上します。

中空ガラス微小球の製造方法
主な準備方法は 3 つあります。
① 粉末法。ガラス母材をまず粉砕し、発泡剤を添加した後、これらの微粒子を高温炉に通します。微粒子が軟化または溶融すると、ガラス内部にガスが発生します。ガスが膨張すると、微粒子は中空球状となり、サイクロンセパレーターまたはバグフィルターを用いて回収されます。

② 液滴法。低融点物質を含む溶液を一定の温度で噴霧乾燥するか、高温の縦型炉で加熱して高アルカリ性微粒子を調製する方法。

③ ドライゲル法。この方法は有機アルコキシドを原料とし、ドライゲルの調製、粉砕、高温発泡という3つの工程から構成されます。いずれの方法にも欠点があり、粉末法ではビーズ形成速度が遅く、液滴法では強度の低いマイクロスフィアが得られ、ドライゲル法では原料コストが高くなります。

中空ガラス微小球複合材料基板および複合方法

高強度固体浮力材を形成するには中空ガラス微小球マトリックス材料は、低密度、高強度、低粘度、マイクロスフィアとの良好な潤滑性など、優れた特性を備えている必要があります。現在使用されているマトリックス材料には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などがあります。これらのうち、エポキシ樹脂は、高強度、低密度、低吸水性、低硬化収縮率のため、実際の生産で最も広く使用されています。ガラスマイクロスフィアは、鋳造、真空含浸、液体トランスファー成形、粒子スタッキング、圧縮成形などの成形プロセスを通じてマトリックス材料と複合化できます。マイクロスフィアとマトリックス間の界面状態を改善するためには、マイクロスフィアの表面も改質する必要があり、それによって複合材料の全体的な性能が向上することを強調することが重要です。