Wiele cenosfer, wiele zastosowań

Choć możesz o tym nie wiedzieć, współczesny świat ma wiele powodów, by być wdzięcznym za cenosfery.

Niewiele osób wie o ich istnieniu, a jeszcze mniej wie, skąd pochodzą. Choć szybki rzut oka na Wikipedię, źródło wszystkich źródeł, pozwoli niewtajemniczonym dowiedzieć się, że „Cenosfera to lekka, obojętna, pusta kula, zbudowana głównie z krzemionki i tlenku glinu, wypełniona powietrzem lub gazem obojętnym, zazwyczaj powstająca jako produkt uboczny spalania węgla w elektrowniach cieplnych. Kolor cenosfer waha się od szarego do prawie białego, a ich gęstość wynosi około 0,4–0,8 g/cm³ (0,014–0,029 funta/cal sześcienny), co zapewnia im dużą wyporność”.

Jednak to niewiele oddaje prawdziwe piękno tych maleńkich, lecz potężnych kulek popiołu lotnego. Ich prawdziwa siła tkwi bowiem w różnorodności zastosowań. Jak stwierdza francuskie czasopismo branżowe „Industrie & Technologies”: „Ze względu na niską gęstość, niewielkie rozmiary, kulisty kształt, wytrzymałość mechaniczną, wysoką temperaturę topnienia, bezwładność chemiczną, właściwości izolacyjne i niską porowatość, mikrosfery [znane również jako mikrosfery] znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. W szczególności [idealnie nadają się] do wzmacniania materiałów lub nadawania powłokom lub farbom odporności na korozję, a także izolacji termicznej i akustycznej. Można je opisać jako wielofunkcyjne wypełniacze i dobrze integrują się z żywicami i spoiwami, takimi jak tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne”.

Cenosfery w farbach i powłokach

Cenosfery mają wiele zastosowań w przemyśle farb i powłok przemysłowych ze względu na dodatkowe właściwości, jakie zapewniają. Na przykład, cenosfery są często stosowane w powłokach do kontrolowania promieniowania podczerwonego, co daje tym powłokom przewagę nad powłokami, które ograniczają jedynie przewodność cieplną.

Tymczasem eksperci ds. powłok z Petra Buildcare Products wyjaśniają, jak mikrosfery „…poprawiają jakość farby poprzez zwiększenie objętości i gęstości produktu. Po nałożeniu na ścianę ceramiczne kulki kurczą się, tworząc na ścianie ciasno upakowaną powłokę”.

Cenosfery w pianach syntaktycznych

Cenosfery są często wykorzystywane do produkcji „pianek syntaktycznych”. Są to specjalistyczne materiały stałe, które wykorzystują cenosfery jako wypełniacz, zapewniając szereg korzyści, od niższych kosztów po zwiększoną wytrzymałość, dźwiękoszczelność, wyporność i ochronę termiczną.

Eksperci z Engineered Syntactic Systems opisują pianę składniową w następujący sposób:

„Część „syntaktyczna” odnosi się do uporządkowanej struktury zapewnianej przez puste kulki. Termin „pianka” odnosi się do komórkowej natury materiału. Dzięki swoim unikalnym właściwościom wysokiej wytrzymałości przy niskiej gęstości, pianka syntaktyczna znalazła szerokie zastosowanie w podwodnych zastosowaniach wypornościowych. Materiały syntaktyczne są odporne na łączne działanie ciśnienia hydrostatycznego i długotrwałego narażenia, co czyni je idealnymi do projektów oceanograficznych, takich jak pływaki kablowe i twarde kulki oraz podpory do instrumentów. Zapewniają również wytrzymałość i integralność strukturalną przy znacznie niższej masie objętościowej niż większość tradycyjnych materiałów, co czyni je atrakcyjnym wyborem w wielu zastosowaniach w obronności i inżynierii lądowej i wodnej”.

Cenosfery w wierceniach naftowych

Aby udowodnić nieznane znaczenie mikrosfer, wystarczy spojrzeć na ich kluczową rolę w przemyśle naftowym. Choć wszyscy wiedzą o znaczeniu ropy naftowej we współczesnym świecie, mało kto wie, że mikrosfery, jak podaje francuskie czasopismo branżowe „Industrie & Technologies”, „…są od kilku lat wykorzystywane w wierceniach naftowych do redukcji gęstości cementu ropopochodnego bez zwiększania zawartości wody”.

Cenosfery w tworzywach sztucznych i polimerach

Cenosfery wykorzystuje się również w produkcji tworzyw sztucznych i polimerów, gdyż ich możliwość zmiany kształtu i wytrzymałość pomagają zapobiegać kurczeniu się tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych.

Są one również wykorzystywane w nowoczesnych materiałach kompozytowych w przemyśle motoryzacyjnym. Na przykład Chevrolet Corvette z 2016 roku zawiera „mieszankę do formowania arkuszy, w której mikrokulki szklane zastępują wypełniacz w postaci węglanu wapnia i zmniejszają masę modelu Stingray Coupe o 9 kg”. Wiceprezes producenta, Continental Structural Plastics Inc., Probir Guha, wyjaśnia powód zastosowania mikrokulek w kompozycie, mówiąc, że „typowa formuła SMC dla tego typu zastosowań w pojazdach obejmuje 20% objętości wzmocnienia z włókna szklanego, 35% żywicy i 45% wypełniacza, zazwyczaj węglanu wapnia”, dodając, że „ta nowa mieszanka SMC [do formowania arkuszy] jest konkurencyjna cenowo w porównaniu z aluminium”.

Cenosfery w betonie

Przez lata cenosfery były użytecznym dodatkiem do betonu, zapewniając dodatkową wytrzymałość i izolację akustyczną, a jednocześnie obniżając gęstość. Jeff Girard, prezes Concrete Countertop Institute, wyjaśnia te zalety, mówiąc: „Teoretycznie cenosfery mogą zastąpić część piasku o normalnej masie używanego w betonie. Cenosfery mają gęstość mniejszą niż woda (średnio 0,7 w porównaniu z 1,0); cząstki piasku kwarcowego zazwyczaj mają gęstość około 2,65. Oznacza to, że 1 funt (ok. 450 g) cenosfer zajmuje taką samą objętość bezwzględną jak około 3,8 funta (ok. 1,7 kg) piasku”.

Industrie & Technologies również opisuje zastosowanie cenosfer jako sposobu na obniżenie hałasu, stwierdzając, że „[Cenosfery są stosowane] w materiałach budowlanych do odciążenia betonu, przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości na ściskanie 30 MPa przy gęstości 1,6 T/m³, co poprawia ich szczelność i zmniejsza transmisję dźwięku. Na przykład, Centrum Naukowo-Techniczne Stosowanych Nanotechnologii w Sankt Petersburgu (STCAN) zajmuje się budową mostów z takich betonów w Rosji, [aby uzyskać cichszą nawierzchnię dróg]. Cenosfery są również wykorzystywane do poprawy właściwości termoizolacyjnych i akustycznych tynków, zapraw i tynków stosowanych na ścianach, podłogach i sufitach. Dodanie 40% objętości cenosfer zmniejsza o połowę współczynnik transmisji hałasu”.

Cenosfery w produktach farmaceutycznych

Cenosfery są wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym od wielu lat, ponieważ te małe kulki powlekane lekami mogą działać jak niemal idealne urządzenie transportowe. Ponadto, jak zauważa francuskie czasopismo branżowe „Industrie & Technologies”, „cenosfery pokryte tlenkiem srebra mogą być na przykład stosowane w opatrunkach w celu przyspieszenia gojenia się ran”.

Cenosfery w zaawansowanych gałęziach przemysłu

Prowadzone są liczne badania mające na celu odkrycie nowych zastosowań dla tego wszechstronnego produktu ubocznego. Na przykład, opracowywane są nowe katalizatory do procesu utleniania metanu z wykorzystaniem cenosfer magnetycznych.

Cenosfery są również wykorzystywane w rozwoju kompozytów z osnową metalową (MMC), różnorodnych materiałów łączących wysoką absorpcję energii, odporność na uderzenia i niską gęstość sfer z właściwościami innych substancji. Inni, tacy jak Paul Biju-Duval z Georgia Institute of Technology w Atlancie, intensywnie pracują nad rozwojem bezcementowych materiałów budowlanych. Jego prace są kontynuowane, a do mieszanki cenosfer dodają takie elementy jak bambus i rury metalowe, co pozwala na znalezienie alternatywnych, tańszych, trwalszych i bardziej przyjaznych dla środowiska metod budowlanych.

Tymczasem Instytut Chemii i Technologii Chemicznej Rosyjskiej Akademii Nauk w Krasnojarsku bada możliwości wykorzystania cenosfer w transformacjach katalitycznych. BAE Systems z kolei próbuje wykorzystać cenosfery w farbach jako środek wspomagający niewidzialność w zakresie podczerwieni, umożliwiając w ten sposób statkom wojskowym stosowanie „pelerynek niewidzialności”.

Przy tak szerokim spektrum zastosowań i jeszcze szerszym zakresie potencjalnych zastosowań, nic dziwnego, że zainteresowanie mikrosferami rośnie. Dopóki twórcy produktów będą poszukiwać lekkich wypełniaczy, ulepszonych systemów dostarczania leków, ulepszonych powłok, zamienników cementu i dodatków do kompozytów, zapotrzebowanie na mikrosfery będzie rosło. Co więcej, wraz z rosnącą liczbą badań nad nowymi zastosowaniami tych wszechstronnych mikrosfer, tylko czas pokaże, jaka będzie przyszłość mikrosfer.