ТЕПЛОПОГЛОЩАЮЩЕЕ СТЕКЛО Российский патент 1996 года по МПК C03C3/91 

Изобретение относится к капсюлированию чувствительных материалов, имплантируемых в живое тело или использовать в качестве стекла для впаивания чувствительных субстанций.

Метод получения информации из животных и о животных состоит в имплантации мини-передатчиков или запросчиков-ответчиков в теле животного. Запросчики-ответчики состоят, в основном, из передающей антенны и чипа памяти и/или чувствительного элемента или другого конструктивного элемента и позволяют в любое время с помощью внешнего приемника считывать накопленные и чипе памяти коды или другую информацию. Подобные системы имеются в торговле в виде систем информации о животных и идентифицирующих систем. Таким образом, можно, например, идентифицировать животное и его местонахождение, определить его температуру тела и другие данные и использовать в научных целях, например, для определения путей миграции или для управления автоматами кормления. Чрезвычайно чувствительные к химическим воздействиям запросчики-ответчики нейтрализуются от влияния жидкостей, содержащихся в теле, с помощью заключения в капсюлю. В качестве материалов для капсюль применяют некоторые пластмассы, обработка которых является дорогостоящей или трудной, а также стекло. Так как капсюля, например, при маркировке диких животных должна оставаться в теле животных в течение всей жизни, т. е. до 30 лет, то предлагают стекло из-за его преимуществ по стойкости в течение длительного времени, низкой стоимости и хорошей обрабатываемости. Заключение в капсюлу запросчика-ответчика осуществляется таким образом, что запросчик-ответчик вводится в закрытую с одной стороны трубку, которую затем сплавляют с другого конца.

Недостаток стекол, используемых для этих целей до настоящего времени, состоит, прежде всего, в том, что оправление может быть связано с относительно большими затруднениями. Благодаря чувствительности задатчика-ответчика к коррозии, необходимо не только герметичное капсюлирование, то требуется также обеспечить исключение вызывающих коррозию газов, т. е. производить оплавление в атмосфере защитного газа или в вакууме. Оплавление стекла в пламени, таким образом, исключается, так как возникающая при сгорании вода в течение длительного времени находящаяся в капсюле, вызывает коррозию запросчика-ответчика.

Применяемые до настоящего времени стекла поэтому закрывают большей частью с помощью тепла нагревательных элементов сопротивления. При оплавлении с помощью спирали необходимое для оплавления тепло производится с помощью раскаленной проволочной спирали, нагретой электрическим сопротивлением. Переход тепла от спирали на стекло осуществляется, в основном, с помощью конвекции. Это имеет, однако, тот недостаток, что оплавление продолжается относительно долго, что приводит к относительно высокой температурной нагрузке запросчика-ответчика во время процесса оплавления и к большому тактовому времени, т. е. к слишком малой производительности оплавляющей установки. Кроме того, спираль имеет лишь довольно ограниченный срок службы.

Наиболее близким к предлагаемому по химическому составу и свойствам является теплопоглощающее стекло следующего состава, мас. SiO₂ 63,7 - 72,15; Na₂O 10,7 13,7; K₂O 2 5, MgO 1,6 2,8; CaO 3,25 4; Al₂O₃ 2 7; Fe₃O₄ 3 4,5, Li₂O 0,8 1; B₂O₃ до 3; F до 0,4 [1]
Недостатком указанного стекла является несовместимость с тканями тела.

Технический результат изобретения получение стекла, совместимого с тканями тела за счет достижения чрезвычайно низкого содержания токсичных компонентов в стекле.

Описываемое теплопоглощающее стекло имеет следующий состав, мас. SiO₂ 65 68; Na₂O 12 14; K₂O 2,5 4; MgO 2 3; CaO 4,2 5,5; Al₂O₃ 3 4; FeO 2,7 4,1; причем сумма оксидов щелочных металлов 15 17. Стекло может дополнительно содержать Li₂O, BaO, B₂O₃ в следующих количествах, мас. Li₂O до 3; BaO до 2; B₂O₃ до 1%
Содержание SiO₂ в стекле составляет 65 68 мас. При снижении после 65 мас. ухудшается химическая стойкость и увеличивается опасность кристаллизации при изготовлении трубок. Превышение 68 мас. приводит к повышению температуры оплавления и вязкости, а затем к высокому потреблению энергии при оплавлении стекла.

Окислы щелочных металлов служат для снижения вязкости и температуры размягчения. Содержание окислов щелочных металлов, однако, не может быть слишком высоким, так как иначе химическая стойкость стекла будет очень низкой. Поэтому содержание окислов щелочных металлов должно составлять всего 15 17 мас. В качестве окисла щелочного металла предпочитают Na₂O, который применяют в количестве 12,0 14,0 мас. Стекло может далее содержать 2,5 4 мас. К₂O. При содержаниях выше 4 мас. К₂O проявляется его негативное влияние на температуру размягчения. Окись лития может быть в наличии до 3 мас. в стекле. По сравнению с Na₂O и K₂, Li₂O более сильно снижает вязкость, однако нельзя превышать содержание более 3 мас. так как иначе повышается склонность к кристаллизации и ухудшается химическая стойкость. В большинстве случаев, однако, из-за высоких цен приходится совсем отказываться от введения в стекло Li₂O.

В качестве окислов щелочноземельных металлов в особенности находят применение CaO 4,2 5,5 мас. и MgO в количествах 2 3 мас. Их добавка способствует повышению химической стабильности стекла. При занижении данного диапазона снижается химическая стабильность, напротив, при превышении повышается температура размягчения, что приводит к повышению температурной нагрузки на запаиваемые элементы. Ионы бария токсичны. Содержание ВаO поэтому должно быть, по возможности, незначительным и составлять менее 2 мас. причем из соображений профилактики стремятся к полному отсутствию содержания ВаO. Тем не менее, добавка ВаO является целесообразной, так как благодаря ВаO можно снизить вязкость стекла, что приводит к улучшению оплавляемых материалов в термическом смысле, причем концентрация ВаO 2 мас. и ниже не вызывает токсических реакций.

Окись алюминия содержится в количестве 3 4 и служит для повышения химической стабильности стекла. При превышении этой области сильно возрастает температура оплавления и вязкость, так что возникает опасность термического повреждения оплавляемых материалов. Особенно благоприятные свойства, как в отношении химической стабильности, так и в отношении температуры оплавления получаются внутри указанной области.

В₂O₃ также относится к составляющим стекла, которые выделяют токсичные ионы. Его содержание в стекле составляет максимум 1 мас. С помощью В₂O₃ можно повысить химическую стойкость стекла, тем не менее содержание этой составляющей части стекла следует поддерживать как можно меньшим.

Содержание окиси железа (FeO) позволяет производить оплавление стекла в инфракрасных лучах. Двухвалентная окись железа должна быть в таких количествах, чтобы инфракрасное излучение в достаточной степени абсорбировалось в оплавляемом стекле в процессе оплавления и чтобы абсорбция осуществлялась, по возможности, равномерно по толщине стекла. Если концентрация ионов железа (II) слишком масла, то абсорбция снижается, что приводит к длительному по времени оплавлению. Если концентрация слишком высока, то абсорбция излучения осуществляется уже в близких к поверхности слоях. Более глубоко расположенные слои должны затем нагреваться путем отвода тепла от поверхностных слоев, что также приводит к увеличению времени оплавления. Более длительное по времени оплавление, однако, благодаря отводу тепла от стекла, приводит к повышенной термической нагрузке оплавляемого материала. Хороших результатов достигают при обычных толщинах стенок трубок для запросчика-ответчика или ампул от 0,1 до 1 мм, если пропускание стекла при толщине слоя 1 мм и длине волны λ нм лежит между 2 и 20% Это имеет место при концентрации FeO 2,7 4,1 мас. Чем тоньше стенка оплавляемого стекла, тем сильнее должна быть абсорбция и тем выше связанное с этим содержание FeO. В том случае, если при плавлении стекла железо добавляют в форме Fe₂O₃, то с помощью соответствующего ведения процесса расплавления обеспечивается, чтобы достаточное количество Fe (III) восстановилось в Fe (II), чтобы получить в стекле указанную составляющую часть FeO. Однако, общее количество железа в пересчете на Fe₂O₃ не должно превышать 7 мас. из-за тенденции к расслоению.

Полученное стекло, благодаря экстремально сниженному содержанию токсичных составляющих, является физиологически надежным и обладает высокой совместимостью с тканями. Оно имеет высокую стабильность, так что легко может обрабатываться на трубопротяжных станках в трубы. Благодаря своей способности оплавляться в инфракрасных лучах, оно пригодно для быстрого и качественного капсюлирования запросчиков-ответчиков и других имплантируемых материалов и в качестве материала для ампул для заполнения чувствительными материалами.

В табл. 1 приведены конкретные примеры стекол.

Стекла были выплавлены из обычных исходных материалов для стекол. Далее дается температура обработки V_a, т.е. температура, при которой стекло имеет вязкость 10⁴dPas. Для демонстрации низкой температурной нагрузки из стекла N 1 изготовляют закрытую с одной стороны (у днища) трубку для запросчика-ответчика с наружным диаметром 2,1 мм и толщиной стенки 0,25 мм. Для сравнения было применено используемое прежде для впаивания запросчиков-ответчиков стекло такого же размера. Перед закрытием с одной стороны трубки были снабжены термоэлементом, который был расположен на 10 мм ниже планируемого места оплавления. Подсоединительные провода были проведены через днище наружу. Трубки затем были помещены областью на 20 мм выше днища в точку горения сфокусированного ИК-луча (мощность инфракрасного излучения 110 Вт) или в центр нагревательной спирали (диаметр спирали 7 мм, мощность 110 Вт). Дается время, требуемое для оплавления, и замеренные при этом максимальные температуры (табл. 2).

Использование: для капсюлирования чувствительных материалов, которые можно импланитировать в живое тело или в качестве стекла для ампул для впаивания чувствительных субстанций. Сущность изобретения: теплопоглощающее стекло содержит, мас. %: оксид кремния 65 - 68 БФ SiO₂; оксид натрия 12 - 14 БФ Na₂O; оксид кальция 2,5 - 4 БФ К₂O; оксид магния 2 - 3 БФ MgO; оксид кальция 4,2 - 5,5 БФ CaO; оксид алюминия 3 - 4 БФ Al₂O₃; оксид железа 2,7 - 4,1 БФ FeO, причем сума оксидов щелочных металлов составляет 15 - 17. Стекло может дополнительно содержать, мас. %: оксид лития до 3 БФ Li₂O; оксид бария до 2 БФ BaO; оксид бора до 1 БФ В₂O₃. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Теплопоглощающее стекло, включающее SiO₂, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, Al₂O₃ и оксид железа, отличающееся тем, что в качестве оксида железа оно содержит FeO при следующем соотношении компонентов, мас. SiO₂ 65 68, Na₂O 12 14, K₂O 2,5 4,0, MgO 2 3, CaO 4,2 5,5, Al₂O₃ 3 4, FeO 2,7 4,1, причем сумма оксидов щелочных металлов 15 17. 2. Стекло по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Li₂O, BaO, B₂O₃ в следующих количествах, мас. Li₂O - до 3, BaO до 2, B₂O₃ до 1.