СИНТЕЗ ПОЛЫХ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР НА ОСНОВЕ

БОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ В ПРОПАНА-ВОЗДУШНОМ ФАКЕЛЕ

Брюхов Руслан Денисович

Национальный исследовательский Томский

политехнический университет, г. Томск

E-mail: rdb4@tpu.ru

Аннотация. Данная статья посвящена полым стеклянным микросферам на основе боросиликатных стекол. Рассмотрены области применения полых стеклянных микросфер. Разработана методика получения полых стеклянных микросфер на основе боросиликатных стекол в пропана-воздушном факеле.

Ключевые слова: полые стеклянные микросферы, боросиликатные стекла, пропана-воздушный факел.

В настоящее время полые стеклянные микросферы (ПСМ) широко применяются в различных областях промышленности, благодаря повышенным прочностным характеристикам (прочность на сжатие до 100 МПа) и относительно низкой насыпной плотности (от 0,28 г/см³). Использование ПСМ в составе композитов позволяет повысить прочность и снизить удельный вес материалов. Области применения включают использование стеклянных микросфер в качестве носителей, в том числе для хранения водорода, транспортировки радиоактивных материалов непосредственно к злокачественным образованиям «in vivo», чувствительных элементов датчиков и т.д. Обобщенные сферы применения полых стеклянных микросфер представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Сферы применения полых стеклянных микросфер [1]

Известно множество составов и методов получения полых стеклянных микросфер (ПСМ). Традиционным методом является получение микросфер в пламени газовоздушной смеси. В настоящее время накоплено значительное количество данных о свойствах полых стеклянных микросфер в полученных в пламени различных газовоздушных смесей (пропан–бутан–кислородном пламени [2], ацетилен-кислородного пламени [3] и тд.). При этом перспективными остаются свойства ПСМ полученных в пропана-воздушном факеле.

Одной из наиболее перспективных силикатных систем для синтеза стеклянных микросфер является боросилитная, ввиду относительно низкой температуры плавления.

Соответственно целью работы является разработка методики получения полых стеклянных микросфер на основе боросиликатных стекол в пропана-воздушном факеле.

Первым этапом работы стало исследование помола боросиликатного стекла, оксидный состав которого представлен в таблице 1.

Таблица 1. Оксидный состав боросиликатного стекла

Помол осуществлялся мокрым способом в планетарной мельнице «Pulverisette-6». При этом варьировался параметр соотношения твердого вещества к жидкости (стеклобоя к воде) от 10/50 до 50/50 на 50 мл воды.

Измельченный стеклобой высушивался до постоянной массы, и изучался с помощью ситового анализа, по результатам которого построена гистограмма распределения частиц по размерам, представленная на рисунке 2. Исходя из агломерационной модели сфероидизации оптимальным размером частиц является размер менее 40 мкм. В связи с чем наиболее оптимальным соотношением стеклобоя к воде является 30/50.

Рисунок 2. Гистограмма распределения частиц по размерам

Измельченный порошок боросиликатного стекла подавался с помощью пневмодозатора в факел пропано-воздушной смеси, где под действием высокой температуры происходило плавление агломерата частиц с образованием полой микросферы. Эксперименты с боросиликатным стеклом показали, что формирования полых микросфер не происходит (рисунок 3, а), образуются оплавленные частицы, что вероятно связано с недостаточным количеством газообразующего агента (B₂O₃). На электронномикросфкопической фотографии (рисунок 3, а) видны округлые тела, представляющие собой микрошарики, т.е. не полые тела. Наличие микрошариков подтверждает, что температура плавления достаточна для образования расплава.

С целью интенсификации процесса сфероидизации микросфер предложена щелочная активация боросилитакного стеклобоя, за счет которой дополнительно снизиться температура плавления и увеличится количество газообразующих веществ. В результате сфероидизации щелочноактивированных частиц боросиликатного стекла были получены микросферы представленные на рисунке 3, б.

а	б
Рисунок 3. Электронные микрофотографии: а – оплавленных частиц; б – полых стеклянных микросфер

Таким образом, показана перспективность использования метода щелочной активации для увеличения выхода микросфер.

Литература:

1. Свойства полых стеклянных микросфер, полученных в пропановоздушном факеле / В. В. Шеховцов, О. В. Казьмина, Н. К. Скрипникова [и др.] // Стекло и керамика. 2023. Т. 96. № 4(1144). С. 3-11. DOI: 10.14489/glc.2023.04.pp.003-011.
2. Bortot M. B., Prastalo S., Prado M. Production and characterization of glass microspheres for hepatic cancer treatment // Procedia materials science. 2012. V. 1, P. 351-358. DOI: 10.1016/j.mspro.2012.06.047
3. Nuzulia N. A., Islam T., Saputra A. et al. Developing highly porous glass microspheres via a single-stage flame spheroidisation process // Journal of physics: conference series. 2022. V. 2243, N. 1, № 012005. DOI: 10.1088/1742-6596/2243/1/012005