ПОЛАЯ МИКРОСФЕРА

Полезная модель относится с области производства стеклянных изделий, а именно полых микросфер из алюмосиликатного стекла диаметром 0,1-0,5 мм которые могут быть использованы в качестве наполнителя в различных материалах и процессах.
Известна полая микросфера, содержащая наружную стенку и внутреннюю полость, причем наружная стенка выполнена из боросиликатного стекла, способного при высокой температуре расплавляться на капли и раздуваться до сферы под действием генерируемого газа (Проспект фирмы РО. Согр. США, Шарики семейства Q-cell, 1989 г.).
Недостатком данных микросфер является низкая прочность из-за тонкостенной оболочки (стенки), обусловленной ее равномерным раздувом.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является полая микросфера, полученная в результате расплавления и раздува минеральных компонентов угля при его сжигании в тепловой электростанции, содержащая внутреннюю сферическую полость, образованную стенкой из алюмосиликатного материала, имеющей переменную толщину стенки, обычно 5-10% от диаметра микросферы. Переменность толщины стенки обусловлена неоднородной вязкостью расплава алюмосиликатного материала..
Материал стенки по морфологическому составу состоит из кристаллической фазы (кварц, муллит и т.д.) и аморфной фазы (стекло) и содержит микропоры. (См. журнал «Energy Fuel», 2007, pp. 3437-3445).
Данные микросферы могут быть получены от сжигания углей австралийских месторождений или получены от сжигания углей австралийских месторождений или получены при специальной термообработке алюмосиликатного порошка вне электростанции.
Конструктивная форма получаемых микросфер зависит от типа угля, его подготовки (степень размола, влажность), режимов работы котла (температура, давление) и др. Процесс образования указанных микросфер заключается в расплавлении порошковых минеральных включений до микрокапель и последующего раздува изнутри газом с образованием полых твердых микросфер с микропорами, расположенными в стенке. В результате изложенного, указанные микросферы имеют существенный недостаток - низкую прочность вследствие ослабления прочности стенки за счет наличия микропор, расположенных хаотично по всей сферической поверхности. В этом случае увеличение прочности возможно лишь при увеличении общей толщины стенки, т.е при увеличении плотности микросферы, что во многих случаях неприемлемо. При этом прочность микросферы определяется исключительно прочностью материала; стенки которой представляют собой однородный (в целом) застывший расплав и может быть изменена только изменением минеральных компонентов сжигаемого угля, что практически осуществить невозможно.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение прочности микросферы без увеличения ее плотности.
Указанная задача решается тем, что в полой микросфере, содержащей внутреннюю сферическую полость, образованную стенкой из алюмосиликатного материала, содержащего кристаллическую и аморфную фазы, причем стенка выполнена переменной толщины и в ней имеются микропоры, согласно полезной модели, стенка микросферы выполнена симметричной относительно диаметра, проходящего через полюса сферы с минимальной и максимальной толщиной стенки, а внутренняя и наружная поверхности стенки покрыты нанослоем кристаллического материала.
По одному из вариантов полезной модели микропоры расположены в утолщенной части стенки.
Согласно другому варианту полезной модели, внутренняя поверхность микропор также покрыта нанослоем кристаллического материала.
Согласно третьему варианту, полюс с минимальной толщиной стенки вогнут во внутреннюю полость микросферы.
Выполнение сферы со стенкой переменной толщины, симметричной относительно диаметра и покрытие стенки снаружи и изнутри нанослоем кристаллического материала позволяет создать прочную пространственную структуру; т.к. прочные и тугоплавкие кристаллические нанослои служат, как армирующие элементы, между которыми расположен основной материал стенки, в состав которого входит относительно непрочный аморфный компонент (чаще стекло). Кроме этого, выполнение микропор с внутренним кристаллическим нанослоем позволяет дополнительно повысить прочность конструкции, т.к армирующие элементы также расположены и в стенке. Наличие микропор в утолщенной части стенки не уменьшает прочности утонченной части ввиду их отсутствия в последней). Кроме этого, указанное конструктивное выполнение микросферы позволяет сместить ее центр тяжести от геометрического центра сферы в сторону утолщенной части, что позволяет добиться постоянного положения сферы в жидкой или газовой среде, например в воздухе сфера будет свободно опускаться «как парашют», что необходимо при использовании ее в маскирующих дымовых завесах.
Такая конструктивная форма микросферы может быть получена за счет изменения режимов сжигания угля на электростанции и, как следствие, изменения процесса образования микросфер. При относительно крупном помоле исходного материала (угля) до 3 мм и более и высокой влажности, а также при определенных режимах работы котла, процесс образования сферы в принципе отличается от общепризнанного процесса образования известной микросферы (прототипа). В процессе горения частицы (см. фиг.3) угля на ее поверхности образуется пленка (стенка микросферы), которая за счет давления подводимых от частиц газов увеличивается в размерах, но не отрывается от поверхности частицы, т.е процесс похож на раздувание «мыльного пузыря» с той разницей, что толщина стенки расплавленной породы непосредственно у разогретой частицы значительно меньше, чем толщина удаленной, несколько охлажденной, и практически не содержит микропор, т.к. они начинают образовываться только в утолщенной части.
Газ, формирующий микросферу, в отличие от прототипа, генерируется не внутри микросферы, а вне ее за счет химической реакции в частице и вводится в микросферу в точке контакта с частице, и это возможно только при увеличении времени формирования микросферы (5-10 сек.). При этом за счет увеличения времени температурного воздействия происходят некоторые фазовые и структурные превращения, а именно: на внешней и внутренней поверхности стенки микросферы формируется кристаллический материал в виде нанослоя. В таком виде образовавшаяся микросфера отрывается от частицы (или частица полностью сгорает) и после охлаждения приобретает заявляемую форму. В некоторых случаях при охлаждении микросферы (давление газа внутри падает до вакуума), полюс с минимальной толщиной стенки наиболее горячий и мягкий (за счет расплава), втягивается вакуумом во внутреннюю полость, т.е. образуется вогнутый по отношению к наружной поверхности элемент.
Проведенные патентные исследования позволяют предположить, что заявленное техническое решение обладает новизной.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным критериям патентоспособности полезной модели.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежом где:
На фиг.1 - изображена предлагаемая микросфера в разрезе.
На фиг.2 - фотография полученной промышленным путем микросферы с электронного микроскопа.
На фиг.3 - схема образования микросферы.
На фиг.4 - вариант микросферы с вогнутым полюсом.
Предлагаемая микросфера состоит из внутренней сферической полости 1, образованной стенкой 2 из алюмосиликатного материала, состоящего из кристаллической фазы, представленной кварцем и муллитом и аморфной фазы, представленной стеклом. В стенке микросферы расположены микропоры 3. Стенка выполнена с переменной толщиной, которая равномерно уменьшается от полюса П1 (полюса с максимальной толщиной) к полюсу П2 (с минимальной толщиной стенки), т.е. стенка (сфера) симметрична относительно диаметра Д, проходящего через полюса П1-П2. Внутренняя и наружная поверхности стенки покрыты нанослоями 4,5 кристаллического материала-кварца и/или муллита.
По одному из вариантов, микропоры 3 расположены в утолщенной части стенки.
По другому варианту - внутренняя поверхность микропор 3 покрыта нанослоем 6 кристаллического материала.
Возможен вариант микросферы, в котором полюс с минимальной толщиной стенки вогнут во внутреннюю полость микросферы (фиг.4).
На фиг.2 (фотография микросферы) четко видны кристаллические слои (белые ободки) на внутренней и наружной поверхностях стенки и внутренней поверхности микропор. Толщина нанослоя составляет от 50 до 500 нанометров. Как известно, кристаллическая фаза алюмосиликатного материала (кварц, муллит) значительно более прочна и огнеупорна по сравнению с аморфной фазой (стекло), поэтому при работе микросферы в качестве наполнителя, особенно при повышенных температурах, пространственный каркас из кристаллического материала содержит внутри аморфную фазу (стекло) и даже при потере прочности аморфной фазой (например, в результате размягчения при нагреве) микросфера в целом способна выдержать повышенные нагрузки, т.е. имеет повышенную прочность; причем эта прочность достигается не за счет увеличения толщины стенки, а за счет указанного конструктивного выполнения микросферы. Смещение микропор в утолщенную часть стенки (в результате специфического раздува) позволяет более рационально использовать материал, из которого состоит микросфера, т.е переместить микропоры в безопасную, с точки зрения прочности, зону.
При свободном падении в воздухе микросфера всегда ориентирована утолщенной частью вниз, что в некоторых случаях является полезным, например, для микросфер, вращение которых вокруг своей оси является нежелательным - для микросфер, покрытых металлом и используемых для создания дымовых завес.