Influencia del tamaño de las partículas y de la densidad real de las microesferas de vidrio huecas en la resistencia a la compresión
2024-03-15Application Note
Esta nota de aplicación explora la correlación entre el tamaño de las partículas, la densidad real y la resistencia a la compresión de las microesferas de vidrio huecas (HGM). Utilizando el analizador de tamaño de partícula por difracción láser Bettersizer 2600 y el picnómetro de gas BetterPyc 380, se confirma que el tamaño de partícula y la densidad real afectan a la resistencia a la compresión. Los conocimientos aportados por Bettersize contribuyen significativamente al campo de la ingeniería de materiales de HGMs.
| Producto | Bettersizer 2600BetterPyc 380 |
| Industria | Cerámica |
| Muestra | Microesfera de vidrio hueco |
| Tipo de medición | Tamaño de partículas, Distribución de partículas, Densidad real |
| Tecnología de medición | Difracción láser, método de desplazamiento de gas |
Saltar a una sección:
Introducción
Las microesferas huecas de vidrio (HGM) son materiales esféricos inorgánicos no metálicos fabricados mediante procesos específicos, normalmente con diámetros que oscilan entre 10 y 250 µm y espesores de pared de 1 a 2 µm, como se muestra en la figura 1. Estas microesferas son conocidas por sus excepcionales propiedades, como la resistencia a la abrasión, la resistencia a la corrosión, el blindaje contra la radiación, la baja absorción de agua y la estabilidad química. Pueden utilizarse ampliamente como relleno de materiales compuestos en la construcción, el caucho, los revestimientos, la marina, la industria aeroespacial y otros campos. La resistencia a la compresión de los HGM es un parámetro físico crucial que influye directamente en su aplicabilidad y en la calidad de los productos finales en diversos campos.
Figura 1. Estructura de los HGM Estructura del HGM
Según la fórmula teórica de la resistencia a la fractura de una microesfera de vidrio hueca individual [1,2]:
P es la resistencia a la compresión
α es el factor de forma (la relación entre el diámetro D y el espesor de pared t)
E es el módulo de Young teórico para la HGM
ν es la relación de Poisson de los materiales de la pared
La resistencia a la compresión de los HGM está relacionada con el diámetro D y el grosor de pared t, ya que estos factores influyen colectivamente en el factor de forma. Dado que el polvo de HGMs está formado por numerosas partículas de diferentes tamaños, es necesario tener en cuenta el efecto global del tamaño y la distribución de las partículas. Medir directamente el grosor de la pared de los HGM es una tarea que lleva mucho tiempo, pero evaluar su grosor mediante la medición de la densidad real será más factible. La medición y el análisis precisos tanto de la distribución del tamaño de las partículas como de la densidad real de los polvos HGM ayudan a comprender mejor su rendimiento en diferentes aplicaciones, a optimizar la cantidad y los métodos de llenado y a mejorar aún más el rendimiento y la estabilidad de los materiales compuestos.
Método de medición
Este estudio empleó el analizador de tamaño de partícula por difracción láser Bettersizer 2600 y el picnómetro de gas BetterPyc 380 para investigar la distribución del tamaño de partícula y la densidad real de cuatro conjuntos de formulaciones idénticas de HGMs. Los resultados de las pruebas se analizaron para explorar la relación entre la resistencia a la compresión, la distribución del tamaño de las partículas y la densidad real.
El Bettersizer 2600, basado en la teoría de Mie (conforme a la norma ISO 13320), adquiere rápidamente información sobre el tamaño y la distribución de las partículas midiendo el ángulo de difracción y la intensidad de las partículas contra el láser, como se muestra en la figura 2. Ofrece velocidades de ensayo rápidas, con resultados de datos disponibles en sólo 1 minuto. Con el método húmedo, el índice de refracción de los HGM y del medio disolvente (agua destilada) fue de 1,46 y 1,33, respectivamente.
Figura 2. Diagrama del sistema Bettersizer 2600
El picnómetro de gas BetterPyc 380 se basa en la ecuación del estado del gas ideal y utiliza el método de desplazamiento de gas (conforme a la norma ISO 12154:2014) con sistema de control de temperatura. Permite medir el volumen de los HGM y, posteriormente, su densidad real. El helio se emplea como gas analítico en este estudio, con mediciones realizadas a presiones de 19,5 psig y una velocidad de equilibrio controlada de 0,005 psig/min a una temperatura de 20. El instrumento ofrece velocidades de prueba rápidas y funciona de forma no destructiva, lo que lo convierte en un método eficaz y fiable para las pruebas de densidad.
Figura 3. Diagrama del sistema BetterPyc 380
Resultados
La tabla 1 presenta los datos típicos de tamaño de partícula y densidad verdadera de cuatro grupos de muestras. Se observa que las muestras HGM-1 y HGM-2 tienen tamaños de partículas y distribuciones similares, con densidades verdaderas de 0,6033 g/cm3 y 0,3842 g/cm3 respectivamente. Sus resistencias a la compresión son de 83 MPa y 38 MPa respectivamente. Según la fórmula teórica de la resistencia a la fractura, cuando el diámetro permanece constante, una densidad real más alta indica un mayor grosor de la pared, lo que se traduce en un factor de forma menor y, por consiguiente, en un aumento de la resistencia a la compresión. Los resultados experimentales coinciden con las expectativas teóricas.
| Muestra | Distribución del tamaño de las partículas (µm) | Densidad real (g/cm3 ) | Resistencia a la compresión (MPa) | ||
| D10 | D50 | D90 | |||
| HGM-1 | 16.62 | 40.57 | 79.76 | 0.6033 | 83 |
| HGM-2 | 16.34 | 40.48 | 79.82 | 0.3842 | 38 |
| HGM-3 | 12.09 | 20.43 | 33.12 | 0.5033 | 110 |
| HGM-4 | 4.51 | 10.11 | 21.06 | 0.7824 | 207 |
Tabla 1. Distribución granulométrica, densidad real y resistencia a la compresión de las muestras de HGMs. Distribución granulométrica, densidad real y resistencia a la compresión de las muestras de HGMs.
Al comparar HGM-2, HGM-3 y HGM-4, como se ilustra en la Figura 4, se hace evidente que a medida que el tamaño de partícula D50 disminuye, tanto la densidad verdadera (indicada por el espesor de la pared) aumenta gradualmente, lo que significa un factor de forma más pequeño. Este fenómeno explica el aumento de la resistencia a la compresión. Esta observación subraya la importancia del tamaño de partícula y de la densidad en la determinación de las propiedades mecánicas de las microesferas huecas de vidrio.
Figura 4. D50, densidad real y resistencia a la compresión de HGM-2, HGM-3 y HGM-4
Conclusión
En resumen, para HGMs con la misma formulación, el control de diferentes rangos de tamaño de partícula mediante tamizado permite la producción de muestras con características de resistencia variables. Para cumplir criterios específicos de tamaño de partícula, la optimización del proceso para mejorar la densidad real de las microesferas de vidrio huecas es un enfoque viable, que puede mejorar potencialmente su resistencia a la compresión. El analizador láser de tamaño de partículas Bettersizer 2600 y el picnómetro de gas BetterPyc 380 diseñados por Bettersize pueden proporcionar referencias esenciales y monitorizar el diseño de materiales y las aplicaciones de ingeniería.
 Bettersizer 2600 |  BetterPyc 380 |
Referencia
[1] P.W. Bratt, J. Cunnion, B.D. Spivack, Advances in Materials Characterization 441 (1983).
[2] S.P. Timoshenko, J.M. Gere, Theory of Elastic Stability, McGraw-Hill, Nueva York, 1961.
Sobre los autores
 | Perfil Liu Ingeniero superior de aplicaciones @ Bettersize Instruments |
 | Yanling Qu Ingeniero de aplicaciones @ Bettersize Instruments |
| ¿Quiere conseguir materiales cerámicos de alto rendimiento? |  |
Rate this article