中空ガラス微小球の粒子径と真密度が圧縮強度に及ぼす影響
2024-03-15Application Note
このアプリケーションノートでは、中空ガラス微小球(HGM)の粒子径、真密度、および圧縮強度の相関関係を探ります。Bettersizer 2600レーザー回折式粒度分布測定装置とBetterPyc 380ガスピクノメーターを利用し、粒子径と真密度が圧縮強度に影響することを確認しています。Bettersizeが提供する洞察は、HGMs材料工学の分野に大きく貢献します。
| 製品 | ベターサイザー2600BetterPyc 380 |
| 産業分野 | セラミック |
| サンプル | 中空ガラス微小球 |
| 測定タイプ | 粒子径,粒子分布, 真密度 |
| 測定技術 | レーザー回折法、ガス置換法 |
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はじめに
中空ガラス微小球（HGM）は、図1に示すように、一般に直径が10～250μm、肉厚が1～2μmで、特定の工程を経て製造される無機非金属球状材料である。これらの微小球は、耐摩耗性、耐食性、放射線遮蔽性、低吸水性、化学的安定性などの優れた特性で有名である。建築、ゴム、コーティング、海洋、航空宇宙、その他の分野で複合材料フィラーとして広く利用できる。HGMの圧縮強度は、様々な分野におけるHGMの適用性と最終製品の品質に直接影響する重要な物理的パラメータである。
図1.HGMの構造
個々の中空ガラス微小球の理論的破壊強度式によると[1,2]：
Pは圧縮強度
αは形状係数（直径Dと肉厚tの比）
EはHGMの理論ヤング率
νは壁材料のポアソン比
HGMの圧縮強度は、直径Dと肉厚tに関係し、これらの因子が集合的に形状因子に影響するからである。HGMs粉末は大きさの異なる多数の粒子から構成されているため、粒子径と分布の総合的な影響を考慮する必要があります。HGMsの肉厚を直接測定するのは時間のかかる作業ですが、真密度測定によって肉厚を評価することはより現実的です。HGM粉末の粒度分布と真密度の両方を正確に測定・分析することは、さまざまな用途におけるHGM粉末の性能をよりよく理解し、充填量と充填方法を最適化し、複合材料の性能と安定性をさらに向上させるのに役立ちます。
測定方法
本研究では、Bettersizer 2600レーザー回折式粒度分布測定装置とBetterPyc 380ガスピクノメーターを用いて、4セットの同一配合のHGMの粒度分布と真密度を調査した。試験結果を分析し、圧縮強さ、粒度分布、真密度の関係を探った。
ミー理論（ISO 13320準拠）に基づくベターサイザー2600は、図2に示すように、レーザーに対する粒子の回折角と強度を測定することにより、粒子径と分布の情報を迅速に取得します。わずか1分でデータ結果が得られるため、迅速な検査が可能です。湿式法では、HGMの屈折率は1.46、溶媒媒体（蒸留水）の屈折率は1.33であった。
図2.ベターサイザー2600のシステム図
BetterPyc 380ガスピクノメーターは、理想気体の状態方程式に基づき、温度制御システムを備えたガス置換法（ISO 12154:2014準拠）を利用しています。これにより、HGMの体積、ひいては真の密度を測定することができます。本研究ではヘリウムを分析ガスとして採用し、圧力19.5 psig、温度20で平衡速度0.005 psig/minに制御して測定を行いました。本装置は試験速度が速く、非破壊で動作するため、効率的で信頼性の高い密度試験法となっている。
図3.BetterPyc 380のシステム図
試験結果
表1は、4つの試料群の代表的な粒子径と真密度のデータを示しています。試料HGM-1とHGM-2の粒子径と分布は類似しており、真密度はそれぞれ0.6033 g/cm3と0.3842 g/cm3であることが観察されます。圧縮強度はそれぞれ83 MPaと38 MPaである。理論的な破壊強度の式によると、直径が一定の場合、真密度が高いほど肉厚が厚くなり、その結果、形状係数が小さくなり、圧縮強度が増加する。実験結果は理論的予想とよく一致している。
| サンプル | 粒度分布 (µm) | 真密度 (g/cm3 ) | 圧縮 強度 (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 |
表1.HGM試料の粒度分布、真密度および圧縮強度。
図4に示されるように、HGM-2、HGM-3およびHGM-4を比較すると、粒子径D50が小さくなるにつれて、真密度（肉厚で示される）はともに徐々に増加し、形状因子が小さくなることを意味することが明らかになる。この現象が圧縮強度の増加を説明する。この観察は、中空ガラス微小球の機械的特性を決定する上で、粒子径と密度が重要であることを強調している。
図4.HGM-2、HGM-3およびHGM-4のD50、真密度および圧縮強さ
結論
要約すると、同じ配合のHGMの場合、ふるい分けによって異なる粒径範囲を制御することで、様々な強度特性を持つサンプルを製造することができます。特定の粒子径基準を満たすためには、中空ガラス微小球の真密度を高めるためにプロセスを最適化することが実行可能なアプローチであり、これにより圧縮強度を高めることができる可能性があります。Bettersizeが設計したBettersizer 2600レーザー粒度分布測定機とBetterPyc 380ガスピクノメーターは、材料設計とエンジニアリング用途に不可欠な参考資料とモニターを提供します。
 ベターサイザー2600 |  BetterPyc 380 |
参考文献
[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, New York, 1961.
著者について
 | Perfil Liu シニアアプリケーションエンジニア @ Bettersize Instruments |
 | ヤンリン・クー アプリケーションエンジニア @ Bettersize Instruments |
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