Influência do tamanho da partícula e da densidade real das microesferas ocas de vidro na resistência à compressão
2024-03-15Application Note
Esta nota de aplicação explora a correlação entre o tamanho da partícula, a densidade real e a resistência à compressão de microesferas ocas de vidro (HGMs). Utilizando o analisador de tamanho de partícula por difração a laser Bettersizer 2600 e o picnômetro a gás BetterPyc 380, ela confirma que o tamanho da partícula e a densidade real afetam a resistência à compressão. As percepções fornecidas pelo Bettersize contribuem significativamente para o campo da engenharia de materiais de HGMs.
| Produto | Bettersizer 2600, BetterPyc 380 |
| Indústria | Cerâmica |
| Amostra | Microesfera de vidro oca |
| Tipo de medição | Tamanho da partícula, distribuição da partícula, densidade real |
| Tecnologia de medição | Difração a laser, método de deslocamento de gás |
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Introdução
As microesferas ocas de vidro (HGMs) são materiais esféricos inorgânicos não metálicos fabricados por meio de processos específicos, geralmente com diâmetros que variam de 10 a 250 µm e espessuras de parede de 1 a 2 µm, conforme mostrado na Figura 1. Essas microesferas são conhecidas por suas propriedades excepcionais, como resistência à abrasão, resistência à corrosão, proteção contra radiação, baixa absorção de água e estabilidade química. Elas podem ser amplamente utilizadas como enchimento de materiais compostos em construção, borracha, revestimentos, marinha, aeroespacial e outros campos. A resistência à compressão dos HGMs é um parâmetro físico crucial que influencia diretamente sua aplicabilidade e a qualidade dos produtos finais em vários campos.
Figura 1. Estrutura do HGM
De acordo com a fórmula teórica de resistência à fratura para uma microesfera de vidro oca individual [1,2]:
P é a resistência à compressão
α é o fator de forma (a razão entre o diâmetro D e a espessura da parede t)
E é o módulo de Young teórico para o HGM
ν é o coeficiente de Poisson dos materiais da parede
A resistência à compressão dos HGMs está relacionada ao diâmetro D e à espessura da parede t, pois esses fatores influenciam coletivamente o fator de forma. Como o pó de HGMs consiste em várias partículas de diferentes tamanhos, é necessário considerar o efeito abrangente do tamanho e da distribuição das partículas. Medir diretamente a espessura da parede dos HGMs é uma tarefa demorada, mas avaliar sua espessura por meio da medição da densidade real será mais viável. A medição e a análise precisas da distribuição do tamanho das partículas e da densidade real dos pós de HGMs ajudam a entender melhor seu desempenho em diferentes aplicações, otimizando a quantidade e os métodos de enchimento e aprimorando ainda mais o desempenho e a estabilidade dos materiais compostos.
Método de medição
Este estudo empregou o analisador de tamanho de partículas por difração a laser Bettersizer 2600 e o picnômetro a gás BetterPyc 380 para investigar a distribuição do tamanho de partículas e a densidade real de quatro conjuntos de formulações idênticas de HGMs. Os resultados dos testes foram analisados para explorar a relação entre a resistência à compressão, a distribuição do tamanho das partículas e a densidade real.
O Bettersizer 2600, baseado na teoria de Mie (em conformidade com a ISO 13320), adquire rapidamente informações sobre o tamanho e a distribuição das partículas medindo o ângulo de difração e a intensidade das partículas contra o laser, conforme mostrado na Figura 2. Ele oferece velocidades de teste rápidas, com resultados de dados disponíveis em apenas 1 minuto. Com o método úmido, o índice de refração dos HGMs e do meio solvente (água destilada) foi de 1,46 e 1,33, respectivamente.
Figura 2. Diagrama do sistema do Bettersizer 2600
O picnômetro de gás BetterPyc 380 baseia-se na equação de estado do gás ideal e utiliza o método de deslocamento de gás (em conformidade com a ISO 12154:2014) com sistema de controle de temperatura. Ele permite a medição do volume dos HGMs e, subsequentemente, de sua densidade real. O hélio é empregado como o gás analítico neste estudo, com medições realizadas a pressões de 19,5 psig e uma taxa de equilíbrio controlada de 0,005 psig/min a uma temperatura de 20. O instrumento oferece velocidades de teste rápidas e opera de forma não destrutiva, tornando-o um método eficiente e confiável para testes de densidade.
Figura 3. Diagrama do sistema do BetterPyc 380
Resultados
A Tabela 1 apresenta os dados típicos de tamanho de partícula e densidade real de quatro grupos de amostras. Observa-se que as amostras HGM-1 e HGM-2 têm tamanhos e distribuições de partículas semelhantes, com densidades reais de 0,6033 g/cm3 e 0,3842 g/cm3, respectivamente. Suas resistências à compressão são de 83 MPa e 38 MPa, respectivamente. De acordo com a fórmula teórica de resistência à fratura, quando o diâmetro permanece constante, uma densidade real mais alta indica uma espessura de parede mais espessa, resultando em um fator de forma menor e, consequentemente, aumentando a resistência à compressão. Os resultados experimentais se alinham bem com as expectativas teóricas.
| Amostra | Distribuição de tamanho de partícula (µm) | Densidade real (g/cm3 ) | Resistência à compressão (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 |
Tabela 1. Distribuição do tamanho das partículas, densidade real e resistência à compressão das amostras de HGMs.
Comparando HGM-2, HGM-3 e HGM-4, conforme ilustrado na Figura 4, fica evidente que, à medida que o tamanho da partícula D50 diminui, a densidade real (indicada pela espessura da parede) aumenta gradualmente, o que significa um fator de forma menor. Esse fenômeno é responsável pelo aumento da resistência à compressão. Essa observação ressalta a importância do tamanho e da densidade das partículas na determinação das propriedades mecânicas das microesferas ocas de vidro.
Figura 4. D50, densidade verdadeira e resistência à compressão de HGM-2, HGM-3 e HGM-4
Conclusão
Em resumo, para HGMs com a mesma formulação, o controle de diferentes faixas de tamanho de partícula por meio de peneiramento permite a produção de amostras com características de resistência variadas. Para atender a critérios específicos de tamanho de partícula, a otimização do processo para aumentar a densidade real das microesferas ocas de vidro é uma abordagem viável, que pode potencialmente aumentar sua resistência à compressão. O analisador de tamanho de partículas a laser Bettersizer 2600 e o picnômetro a gás BetterPyc 380 projetados pela Bettersize podem fornecer referências essenciais e monitorar o design de materiais e as aplicações de engenharia.
 Bettersizer 2600 |  BetterPyc 380 |
Referências
[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.
Sobre os autores
 | Perfil Liu Engenheiro de aplicativos sênior da Bettersize Instruments |
 | Yanling Qu Engenheiro de aplicativos da Bettersize Instruments |
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