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中空ガラス微小球およびそれらの複合材料

深海用途向けの高強度固体浮力材は、一般的に浮力調整媒体（中空マイクロ球）と高強度樹脂複合材から構成されています。国際的には、これらの材料は密度が0.4～0.6 g/cm³、圧縮強度が40～100 MPaに達し、さまざまな深海機器に広く使用されています。中空マイクロ球は、ガスが充填された特殊な構造材料です。材料構成に基づいて、主に有機複合マイクロ球と無機複合マイクロ球に分類されます。有機複合マイクロ球の研究はより活発で、ポリスチレン中空マイクロ球やポリメチルメタクリレート中空マイクロ球などの報告があります。無機マイクロ球の製造に使用される材料は、主にガラス、セラミック、ホウ酸塩、炭素、フライアッシュ中空球です。

中空ガラスマイクロ球：定義と分類

中空ガラス微粒子は、微粒子サイズが小さく、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微粉末材料です。中空ガラス微粒子は、航空宇宙材料、水素貯蔵材料、固体浮力材料、断熱材料、建築材料、塗料・コーティング剤などに幅広く使用されています。一般的に、中空ガラス微粒子は2つのカテゴリーに分類されます。

① 中空球は、主に二酸化ケイ素と金属酸化物から構成され、火力発電所での発電時に発生するフライアッシュから得ることができます。中空球は安価ですが、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、製造工程のパラメータや原料の配合を調整することで制御できる。価格は高めだが、用途はより広い。

中空ガラス微小球の特性

中空ガラス微小球が固体浮力材料として広く応用されているのは、その優れた特性と切り離せない関係にある。

①中空ガラス微小球中空構造を持つことで、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、および光学特性も得られます。

② 中空ガラス微粒子は球形であり、低多孔性（理想的な充填材）と微粒子によるポリマー吸収が最小限であるという利点を持ち、マトリックスの流動性や粘度への影響がほとんどありません。これらの特性により、複合材料内の応力分布が適切になり、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球は高強度です。中空ガラスマイクロ球は、ガラスを主成分とする薄壁の密閉球体であり、高い強度を示します。これにより、低密度を維持しながら複合材料の強度を高めることができます。

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。まずガラスマトリックスを粉砕し、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。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、粒子は中空の球状になり、その後、サイクロン分離器またはバッグフィルターを使用して回収されます。

② 液滴法。高アルカリ性マイクロ球の製造と同様に、一定の温度で、低融点物質を含む溶液を噴霧乾燥するか、高温の垂直炉で加熱する。

③ 乾燥ゲル法。この方法は有機アルコキシドを原料とし、乾燥ゲルの調製、粉砕、高温での発泡という3つの工程から構成されます。3つの方法すべてにそれぞれ欠点があります。粉末法ではビーズ形成率が低く、液滴法では強度の低いマイクロ球体が得られ、乾燥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化方法

高強度固体浮力材料を形成するために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、マイクロ球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、低硬化収縮性のため、実際の生産で最も広く使用されています。ガラスマイクロ球は、鋳造、真空含浸、液相トランスファー成形、粒子積層、圧縮成形などの成形プロセスによってマトリックス材料と複合化できます。マイクロ球とマトリックス間の界面状態を改善するためには、マイクロ球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。