Раствор для получения бесщелочного термостойкого стекла
Владельцы патента RU 2273607:
ГУП "ОКТБ ИС" Отраслевое конструкторско-технологическое бюро по разработке современных технологий и производства изделий из стекла (RU)
Использование: в технологии получения стекла золь-гель методом. Технической задачей изобретения является получение однородного термостойкого бесщелочного стекла. Раствор для получения бесщелочного термостойкого стекла имеет следующий состав: ТЭОС - 187-220 вес.ч., вода - 220-270 вес.ч., этанол - 60-200 вес.ч., нитрат алюминия - 110-150 вес.ч., ацетат кальция - 35-50 вес.ч., ацетат цинка - 10-30 вес.ч., ацетат бария - 10-20 вес.ч. Время гелирования 4-6 часов, температура сушки геля - 180-200°С до постоянного веса. Получаемое термостойкое бесщелочное стекло отличается высокой однородностью, отсутствием свилей и включений, обнаруживаемых в стекле, синтезированном по традиционной стекольной технологии из общепринятых сырьевых материалов.
Изобретение относится к области получения стекла по золь-гель технологии. Золь-гель метод является наиболее перспективным в технологии получения синтетических силикатных стекломатериалов, позволяющий получать стекло с высокой степенью однородности. Чистота исходных компонентов обеспечивает высокое светопропускание синтезированных стекол в видимой области спектра. Кроме того, данным методом возможно получение новых видов стекол, изготовление которых традиционным способом весьма проблематично.
Известен раствор (RU 203 6856, кл. С 03 В 8/02, 1995) для изготовления стекла для микросфер следующего состава, мас.%:
| Н3ВО3 | 7,64-7,82 |
| NaOH | 26,46-26,72 |
| КОН | 10,25-10,48 |
| LiCO3 | 0,22-0,74 |
| Eu2O3 | 0,7-4,00 |
| С6Н8O7 | 3,9-22,3 |
| (NH4)2СО | 1-3 |
| Н3SiO3 | остальное |
Известен раствор для изготовления стекла для микросфер, включающий, в мас.%:
| Н3ВО3 | 5,56-7,44 |
| NaOH | 13,60-15,52 |
| КОН | 0,06-0,15 |
| СаСО3 | 5,94-6,06 |
| Mg(ОН)2 | 1,17-1,45 |
| Al(ОН)3 | 0,02-0,05 |
| PbO | 6,65-6,82 |
| (НООС)3(СН2)2СОН | 20,5-22,90 |
| (Н4NOOC)3(С6Н3)3СО(ОН)2 | 0,10-0,24 |
| Н3SiO3 | остальное |
Наиболее близким к предложенному изобретению по химическому составу и свойствам является раствор для получения пористого стекла, включающий: 100 мл тетраэтоксисилана, 100 мл этанола, 80,4 мл дистиллированной воды, 18,6 грамма Al(NO3)3·9Н2O и 2,8 мл концентрированной HNO3 (WO 93/24421, кл. С 03 В 8/02, 1993).
Недостатком известных растворов для получения стекла является невозможность синтеза однородного, монолитного термостойкого стекла.
Технической задачей данного изобретения является получение раствора (золя), пригодного после гелирования и сушки геля для синтеза монолитного, однородного термостойкого стекла, применяемого в электровакуумной промышленности для изготовления оболочек и деталей приборов и устройств.
Поставленная задача достигается тем, что раствор для получения стекла, включающий тетраэтоксисилан (ТЭОС), этанол, нитрат алюминия и воду, дополнительно содержит ацетаты кальция, цинка и бария при следующем соотношении компонентов по весу: ТЭОС - 187-220 вес.ч., вода - 220-270 вес.ч., этанол - 60-200 вес.ч., нитрат алюминия - 110-150 вес.ч., ацетат кальция 35-50 вес.ч., ацетат цинка - 10-30 вес.ч., ацетат бария 10-20 вес.ч.
Указанный раствор готовят методом золь-гель технологии.
Золь-гель метод включает в себя следующие этапы синтеза: приготовление однородного раствора - золя; гелирование; сушка геля и термообработка ксерогеля при высоких температурах с целью плавления до образования однородной стекломассы.
В качестве источника SiO2 используют тетраэхтоксисилан (Si(OC2Н5)4 - ТЭОС. Остальные оксиды вводят через нитраты и ацетаты металлов, растворенные в воде.
Время гелеобразования линейно растет с увеличением отношения этанол: ТЭОС, т.е. по мере разбавления раствора, но существует оптимальное соотношение вода: ТЭОС, обеспечивающее минимальное время гелирования, причем значение этого отношения растет с увеличением содержания этанола (от 4 до 6).
Предложенный нами состав для получения стекла золь-гель методом отличается от ранее известных смешанным составом исходного золя, включающего ТЭОС, этанол, воду, нитраты и ацетаты, входящих в состав стекла компонентов.
Ниже приведены конкретные исходные составы растворов для получения стекла, вес.ч.
Пример 1
| ТЭОС | 187,03 |
| Вода | 225 |
| Этанол | 60,4 |
| Al(NO3)3·9Н2О | 136,13 |
| Са(СН3COO)2·Н2О | 42,42 |
| Zn(СН3COO)2·Н2О | 16,19 |
| Ва(СН3COO)2·Н2О | 14,27 |
Пример 2
| ТЭОС | 187,03 |
| Этанол | 150,1 |
| Вода | 257 |
| Al(NO3)3·9Н2О | 136,13 |
| Са(СН3COO)2·Н2O | 42,42 |
| Zn(NO3)2·6Н2О | 21,94 |
| Ва(СН3COO)2·Н2О | 14,27 |
Количества компонентов приведены в расчете на 100 гр сухого ксерогеля.
На аналитических весах взвешиваются навески сухих реагентов: Al(NO2)3·9Н2O; Zn(СН3COO)2·2Н2O; Ва(СН3COO)2 и Са(СН3COO)·Н2O.
Каждая навеска помещается в отдельный стеклянный стакан.
С помощью мерного цилиндра отмериваются необходимые по расчету количества жидких реагентов: ТЭОС, спирт и вода дистиллированная. Отмеренные реагенты переливаются в отдельные стаканы и закрываются стеклянными либо пластиковыми крышками или пробками во избежание испарения.
Стакан с отмеренным количеством дистиллированной воды помещается на водяную баню и нагревается до температуры 75°С.
В нагретую воду постепенно добавляется азотнокислый алюминий, перемешивается стеклянной мешалкой до полного растворения каждой порции, затем в полученном растворе последовательно растворяется уксуснокислый кальций и уксуснокислый цинк. Растворение компонентов в воде проводится при перемешивании. Температура раствора поддерживается в интервале 75±3°С. Далее в полученном растворе аналогичным способом растворяется барий уксуснокислый и в последнюю очередь вливается 50 мл уксусной кислоты. Перемешивание проводится до полного растворения реагентов и достижения однородности раствора.
Однородный раствор (золь) переливается в реактор, находящийся в термостате при температуре 70-75°С.
В реактор вводится электрическая мешалка и раствор перемешивается со скоростью 200˜300 об./мин.
Отмеренное количество ТЭОС подогревается на водяной бане в закрытом стакане до температуры 65-70°С и медленно, струйно выливается в реактор с раствором солей.
Реакционная смесь перемешивается в течение двух часов при температуре 70-75°С до полной однородности золя.
Далее проходит процесс гелирования путем выдерживания золя в течение 4-6 часов при температуре 70±5°С. Гель выдерживается в закрытой фторопластовой емкости при комнатной температуре не ниже 20°С в течение суток. Старение геля приводит к его "охрупчиванию", что облегчает процесс дальнейшей сушки.
Сушку геля проводят при температуре 180-200°С до постоянного веса. Полученный ксерогель плавят при высоких температурах до образования однородной стекломассы, из которой вырабатываются стеклоизделия путем отливки.
Предложенный раствор отличается пониженным содержанием воды и спирта, что благоприятно сказывается на процессах гелирования и сушки геля.
Стекло, полученное из предложенного раствора, обладает высокой однородностью и светопропусканием в видимой области спектра, обеспечивающих воспроизводимость эксплуатационных характеристик изготовленных из него изделий. Термостойкость стекла лежит в пределах 150-180°С.
Раствор для получения стекла, включающий тетраэтоксисилан, этанол, нитрат алюминия и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ацетаты кальция, цинка и бария при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
| ТЭОС | 187-220 |
| Вода | 220-270 |
| Этанол | 60-200 |
| Нитрат алюминия | 110-150 |
| Ацетат кальция | 35-50 |
| Ацетат цинка | 10-30 |
| Ацетат бария | 10-20 |
