Способ равномерного объемного окрашивания прозрачного материала на основе стекла

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу равномерного объемного окрашивания оксидных стекол и ситаллов путем термообработки, и может быть использовано для изготовления ювелирных изделий на основе стекла или ситалла с контролируемой широкой цветовой гаммой, оптических фильтров видимого диапазона и др. Способ равномерного объемного окрашивания прозрачного материала на основе стекла включает синтез ситаллизирующегося стекла в магниевоалюмосиликатной системе с добавкой хлорида золота и проведение термической обработки синтезированного стекла, при этом термическую обработку синтезированного стекла проводят в интервале температур 750-875°С в течение 20 ч. Исходное стекло имеет следующий состав, мас.%: АuСl₃ 0,005-0,01, SnO₂ 1,395-1,59, Na₂O 1,50-1,60, ZrO₂ 4,20-4,90, ТiO₂ 6,50-7,00, MgO 5,00-7,00, ZnO 13,00-15,30, Al₂O₃ 22,00-25,00, SiO₂ 40,00-44,00. Техническим результатом изобретения является получение прозрачного материала на основе стекла с равномерной объемной окраской в ряду: бирюзовая, сине-голубая, фиолетовая, красная. 5 пр., 2 ил.

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к способу равномерного объемного окрашивания оксидных стекол и ситаллов путем термообработки. Полученный результат может быть использован для изготовления ювелирных изделий на основе стекла или ситалла с контролируемой широкой цветовой гаммой, оптических фильтров видимого диапазона и пр.

Процесс окрашивания стекол для придания изделию эстетических свойств применяется с древнейших времен. Для объемного окрашивания стеклоизделий традиционно применяют красители (ионные, например, ионы переходных металлов или редкоземельных элементов, молекулярные - соединения тяжелых металлов с селеном и/или серой, коллоидные - наночастицы золота или серебра) которые вводятся в стекольную шихту [Гулоян Ю.А. Окрашенные стекла: технологические и эксплуатационные характеристики (обзор) //Стекло и керамика. - 2015. - №. 10. - С. 3-10]. Однако для получения стекол или ситаллов с требуемой окраской и степенью ее однородности необходим как выбор подходящего состава стекла, так и подбор красителей определенного типа. Известен патент [Hiromitsu Seto, inventor. Colored glass comprising iron and molybdenum oxides as colorants. European patent application EP 1,055,646 A1. 2000 Nov 29], в котором получают цветное стекло состава (мас.%) 65-80 SiO₂, 0-5 Al₂O₃, 0-10 MgO, 5-15 CaO, 5-15 MgO+CaO, 10-18 Na₂O, 0-5 K₂O, 10-20 Na₂O+K₂O, 0-5 B₂O₃, 0.5-4 Fe₂O₃ и 0.0002-0.01 Mo для строительного и автомобильного остекления. В качестве красящего компонента стекла заявляется одно или несколько соединений из ряда TiO₂, CeO₂, NiO, СоО, Se, MnO, Cr₂O₃, V₂O₅, Nd₂O₃ and Er₂O₃.

Известен способ равномерного окрашивания стекла в изумрудный цвет для изготовления стеклянной тары [Сердцова Л.С., Гулоян Ю.А., Евстратова З.В. Краситель для стекла. Авторское свидетельство SU 604835 Al, М. Кл.² С03С 1/04; Заявл. 14.12.76; Опубл. 30.04.78, Бюл. №16]. Для этого в состав стекла, включающий SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, Na₂O и Cr₂O₃ добавляют 9-15 мас.% B₂O₃ и 1,5-3 мас.% CuO.

Известен способ синтеза стеклокристаллического материала с желтой окраской [David G. Grossman, inventor. Colored glass-ceramic articles. United States patent US 5,387,558. 1994 May 2]. Для этого в состав стекла вводят комплекс красителей, состоящий из (мас.%) 0.05-0.5 V₂O₅, 0.25-5 CeO₂, 0.1-1 Tb₂O₃.

Также запатентованы состав и технология производства окрашенного прозрачного литиевоалюмосиликатного ситалла, где красителями могут выступать оксиды переходных и редкоземельных металлов, а также соединения селена [Falk Gabel, Oliver Hochrein, Evelin Weiss, Roland Dudek, Uwe Martens inventors. Glass ceramic substrate made of a transparent, colored LAS glass ceramic and method for producing it. United States patent application publication US 2016/0176752 Al. 2016 Jun 23].

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению, который может быть принят за прототип, является патент, в котором описан синтез прозрачных ситаллов, окрашенных с помощью коллоидных красителей, в частности наночастицами золота [Meike Schneider, Thilo Zachau, Friedrich Siebers, Wolfgang Schmidbauer inventors. Metal colloid-colored glass ceramic and colorless glass convertible into same. United States patent application publication US 2012/0283086 A1. 2012 Nov 8]. Механизм окрашивания стекла или ситалла золотом основан на формировании металлических наночастиц из ионов Au³⁺, которые находятся в стекле после выработки. Термическая обработка стекла приводит к восстановлению ионов золота до нейтральных атомов с последующим их агрегированием в наночастицы.

Для наночастиц золота характерно явление локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР), при котором электронное облако, локализованное вблизи поверхности наночастицы, колеблется в резонансе с падающим светом. За счет этого эффекта в оптическом спектре материала возникает полоса поглощения. ЛППР сферических наночастиц золота в стеклах приводит к возникновению полосы поглощения в видимой области, поэтому стекла окрашиваются золотом в красный цвет (так называемые «рубиновые» стекла) [Harry Y. Bellamy inventor. Method of making colored glass. United States patent US 1,271,652 1918 Jul 9]. Спектральное положение и интенсивность полосы поглощения, вызванной эффектом ЛППР, во многом определяет оттенок окрашиваемого материала. В свою очередь, форма и расположение полосы, обусловленной ЛППР, в спектре поглощения стекла в сильной мере зависит от таких факторов, как размер и форма металлических наночастиц. Однако отклонения формы наночастиц золота от сферической в оксидных стеклах не происходит, а изменение размера частиц при увеличении длительности или температуры термообработки, приводит к смещению полосы поглощения не более чем на 10-15 нм [Sigaev V.N. et al. Spatially selective Au nanoparticle growth in laser-quality glass controlled by UV-induced phosphate-chain cross-linkage //Nanotechnology. - 2013. - T. 24. - №. 22. - C. 225302]. Таким образом, основным недостатком прототипа является получение ситаллов с окраской в ограниченной цветовой гамме, в которой цвет варьируется только за счет выбора соответствующего красителя.

Задачей изобретения является получение прозрачного материала на основе стекла с равномерной объемной окраской в ряду бирюзовая, сине-голубая, фиолетовая, красная.

Поставленная задача решается способом равномерного объемного окрашивания прозрачного материала на основе стекла, включающий синтез ситаллизирующегося стекла в магниевоалюмосиликатной системе с добавкой хлорида золота и проведение термической обработки синтезированного стекла, при этом термическую обработку синтезированного стекла проводят в интервале температур 750-875°С в течение 20 ч, в исходное стекло дополнительно вводят Na₂O, а исходное стекло имеет состав (мас.%):

AuCl3	0.005-0.01
SnO2	1.395-1.59
Na2O	1.50-1.60
ZrO2	4.20-4.90
TiO2	6.50-7.00
MgO	5.00-7.00
ZnO	13.00-15.30
Al2O3	22.00-25.00
SiO2	40.00-44.00

На фиг. 1 представлен снимок с просвечивающего электронного микроскопа образца ситалла, полученного температурной обработкой стекла при 750°С в течение 20 часов, демонстрирующий фазовое разделение в структуре материала. Таким образом, в основе достижения технического результата лежит не только коллоидное окрашивание материала наночастицами золота, но и явления фазового разделения и ситаллизации исходного стекла при термообработке, которые обнаруживаются с помощью просвечивающей электронной микроскопии, протекают параллельно с формированием наночастиц золота и существенным образом влияют на показатель преломления окружающей их среды. Эти изменения влияют на полосу поглощения, вызванную ЛППР золота, максимум которой может смещаться более, чем на 100 нм, в зависимости от температурно-временного режима термической обработки. Данный механизм управления окраской материала с высокой вероятностью возможен и в других ликвирующих и ситаллобразующих стеклах, поэтому можно утверждать, что достижение заявляемого технического результата подтверждается, но не ограничивается следующими примерами.

Пример 1

Стекло состава (мас.%) 0.01 AuCl₃; 1.59 SnO₂; 1.50 Na₂O; 4.90 ZrO₂; 7.00 TiO₂; 7.00 MgO; 13.00 ZnO; 25.00 Al₂O₃; 40.00 SiO₂ синтезировано методом варки из шихты, составленной из сырьевых компонентов SiO₂, Al(ОН)₃, MgCO₃, ZnO, ZrO₂, TiO₂, Na₂CO₃, SnO₂, HAuCl₄ в кварцевом тигле при температуре 1590°С в течение 6 часов, с последующим отжигом при 600°С в течение 4 часов. Полученный прозрачный и бесцветный образец стекла (Фиг. 2, кривая 1) был обработан при температуре 750°С в течение 20 часов, в результате получен прозрачный материал, равномерно окрашенный по всему объему в бирюзовый цвет с максимумом полосы поглощения при 640 нм (Фиг. 2, кривая 2).

Пример 2

Образец стекла, полученный по Примеру 1, с тем отличием, что полученный прозрачный образец стекла был обработан при температуре 770°С в течение 20 часов, в результате получен прозрачный материал, равномерно окрашенный по всему объему в сине-голубой цвет с максимумом полосы поглощения при 600 нм (Фиг. 2, кривая 3).

Пример 3

Образец стекла, полученный по Примеру 1, с тем отличием, что полученный прозрачный образец стекла был обработан при температуре 813°С в течение 20 часов, в результате получен прозрачный материал, равномерно окрашенный по всему объему в фиолетовый цвет с максимумом полосы поглощения при 563 нм (Фиг. 2, кривая 4).

Пример 4

Образец стекла, полученный по Примеру 1, с тем отличием, что полученный прозрачный образец стекла был обработан при температуре 875°С в течение 20 часов, в результате получен прозрачный материал, равномерно окрашенный по всему объему в красный цвет с максимумом полосы поглощения при 540 нм (Фиг. 2, кривая 5).

Пример 5

Образец стекла, полученный по Примеру 4, с тем отличием, что использовалось стекло состава (мас.%) 0.005 AuCl₃; 1.395 SnO₂; 1.60 Na₂O; 4.20 ZrO₂; 6.50 TiO₂; 5.00 MgO; 15.30 ZnO; 22.00 Al₂O₃; 44.00 SiO₂, в результате получен прозрачный материал, равномерно окрашенный по всему объему в красный цвет с максимумом полосы поглощения при 544 нм.

Заявляемый состав исходного стекла, условия его синтеза и термообработки обеспечивают получение прозрачного материала с контролируемым окрашиванием. Отклонение от приведенных составов делает невозможной выработку бесцветного прозрачного стекла, либо не обеспечивает приведенный диапазон окрашивания.

Способ равномерного объемного окрашивания прозрачного материала на основе стекла, включающий синтез ситаллизирующегося стекла в магниевоалюмосиликатной системе с добавкой хлорида золота и проведение термической обработки синтезированного стекла, отличающийся тем, что термическую обработку стекла проводят при одной из температур в интервале 750-875°С в течение 20 ч, в исходное стекло дополнительно вводят Na₂O, а исходное стекло имеет состав, мас.%:

AuCl3	0,005-0,01
SnO2	1,395-1,59
Na2O	1,50-1,60
ZrO2	4,20-4,90
TiO2	6,50-7,00
MgO	5,00-7,00
ZnO	13,00-15,30
Al2O3	22,00-25,00
SiO2	40,00-44,00