СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАКРОПОРИСТОГО СТЕКЛА ОПТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА Российский патент 2005 года по МПК C03C15/00 

Изобретение относится к технологии изготовления макропористых стекол оптического качества из натриевоборосиликатного стекла типа ДВ-1 и может быть использовано для создания объемных микрогетерогенных сред как элементной базы в системах записи, хранения и обработки информации, в волоконно-оптических системах передачи информации, в голографии и лазерной технике.

Известен способ получения из стекла ДВ-1 макропористого стекла технического назначения путем обработки микропористого стекла 0,5 М раствором щелочи (NaOH) при температуре (18±2)°С в течение 24 часов с дальнейшим промыванием дистиллированной водой и сушкой пластин (ОСТ 3-5692-84, Пластины пористые из стекла ДВ-1, 22.06.1984).

Недостатком этого способа является то, что данный режим щелочного травления позволяет получать макропористые пластины неоптического качества и может приводить к частичному или полному растворению пластин.

Известен способ получения макропористых стекол оптического качества путем обработки микропористых пластин из стекла типа ДВ-1 раствором 0,5 М КОН при температуре раствора 20°С (Рощина Ю.В. Получение образцов макропористых стекол из микропористых пластин толщиной более 2 мм, Физика и химия стекла, т.19, № 2, 1993, с.366-374).

Недостатком этого способа является невозможность получения макропористых пластин толщиной более 1,8 мм. При 20°С контролируемая диффузией скорость выхода продуктов реакции из объема пластины в раствор существенно меньше скорости растворения вторичного кремнезема микропористого стекла. В этих условиях гелирование золя кремнезема может приводить к возникновению “запорного слоя” в глубине пластины, толщина которого не изменяется с увеличением длительности обработки.

Замедление скорости реакции путем понижения температуры до 10°С или использование вместо КОН солей при 20°С также не позволяет увеличить глубину протравливания пластин. И только в случае проведения битермической обработки исходного непротравленного стекла были получены при 20°С макропористые пластины толщиной 2-4 мм, которые, однако, оказались непрозрачными в видимой области спектра из-за большого светорассеяния.

В основу изобретения положена задача создания способа получения макропористого стекла оптического качества путем обработки раствором щелочи микропористого стекла, в котором за счет максимально возможного понижения температуры раствора щелочи и промывающей дистиллированной воды оптимизируется соотношение скорости реакции растворения вторичного кремнезема щелочью и скорости выхода продуктов реакции из пластины, что позволяет получить пластины макропористого стекла оптического качества толщиной до 4 мм.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в способе получения макропористого стекла оптического качества путем обработки раствором щелочи пластин из микропористого стекла в течение времени, соответствующего получению величины относительного объема пор не менее 50%, последующего промывания дистиллированной водой и сушки, производят обработку раствором щелочи пластин толщиной от 3 до 4 мм при температуре раствора от 0 до 2°С, промывание - при температуре дистиллированной воды, близкой к температуре ее замерзания, в течение 7 суток с ежедневной сменой дистиллированной воды, затем температуру дистиллированной воды увеличивают до комнатной температуры, сушку производят при температуре 80°С в течение от 1 до 1,5 часов, а перед сушкой пластин производят постепенное их перемещение из последней дистиллированной воды через водно-спиртовые растворы с возрастающей концентрацией спирта, а затем через безводный спирт.

Обработка пластин из макропористого стекла щелочным раствором с температурой от -1°С до +1°С позволяет замедлить скорость щелочного травления и приблизить ее к скорости выхода продуктов реакции из объема пластины в раствор, что дает возможность увеличить глубину протравливания микропористых пластин и уменьшить вероятность образования периодических слоистых отложений кремнегеля (так называемых стратт) внутри макропористой пластины, наличие которых не позволяет получить пластины оптического качества из макропористого стекла типа ДВ-1 толщиной свыше 2 мм. Формирование структуры макропористого стекла также продолжается на стадии промывания водой вследствие гидролиза продуктов разрушения микропористого стекла с образованием вторичной кремнекислоты и последующей ее коагуляцией (новым страттообразованием) в толще пластин и, следовательно, для получения макропористого стекла оптического качества промывание пластин необходимо проводить в том же температурном режиме, что и травление.

Таким образом, низкотемпературный способ получения макропористого стекла позволяет увеличить глубину сквозного протравливания и получить макропористые пластины толщиной до 4 мм, а также уменьшить вероятность образования из щелочного золя кремниевой кислоты кремнегеля, т.е. исключить страттообразование в объеме пластины и тем самым улучшить оптическую однородность получаемых макропористых стекол.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1, на которой приведены спектральные зависимости светопропускания воздушно-сухих и иммертированных этанолом макропористых пластин разной толщины, изготовленных из натриевоборосиликатного стекла ДВ-1, и фиг.2, на которой приведены кривые распределения объема пор по радиусам в макропористой пластине толщиной 1 мм (кривая 1) и центральной части этой же пластины толщиной 0,3 мм, полученные методом адсорбции-десорбции паров ртути.

Предлагаемый способ получения макропористого стекла осуществляется следующим образом.

Щелочное травление микропористых пластин, изготовленных из натриевоборосиликатного стекла типа ДВ-1, проводится в 0,5 М растворе КОН в висячем положении при температуре от 0 до 2°С в бытовом холодильнике, отрегулированном на пониженную температуру. Степень протравливания определялась по изменению относительного объема пор (W), определяемого весовым методом по разности массы мокрой и высушенной при 120°С пластин. Согласно теоретическим расчетам (Раскова Г.П., Антропова Т.В., Цехомская Т.С., Анфимова И.Н. Физика и химия стекла, т.10, №3, 1984, с.354-364), полное удаление раствором КОН вторичного кремнезема соответствует значениям W=(50-53)%. В предложенном нами режиме травления такая степень протравливания для пластин толщиной 1 мм достигается за 15-20 часов травления.

Промывание пластин осуществляется в дистиллированной воде в том же температурном режиме, что и травление, в течение 6-7 дней с ежедневной сменой воды, затем температура дистиллированной воды доводится до комнатной, после чего пластины высушиваются в термостате при температуре 120°С в течение 1 часа.

Сквозное протравливание пластин толщиной 3 и 4 мм осуществляется в том же температурном режиме за значительно большее время - порядка 90 часов. Сушка толстых макропористых пластин требует осторожности во избежание растрескивания и осуществляется постепенным перемещением пластины из последней дистиллированной воды через водно-спиртовые растворы с возрастающей концентрацией спирта, а затем через безводный спирт, сушку пластин от спирта производят при температуре 80°С в течение 1,5 часов.

Существенной характеристикой, определяющей границы применимости стекол в оптике, является величина их светопропускания в зависимости от длины волны λ. Оптическое качество макропористых пластин, полученных предлагаемым способом щелочного травления, иллюстрируется фиг.1, на которой приведены спектральные зависимости светопропускания воздушно-сухих и иммертированных этанолом макропористых пластин разной толщины, изготовленных из натриевоборосиликатного стекла ДВ-1.

Из приведенных данных видно, что величина светопропускания (Т%) макропористой пластины толщиной 1 мм (кривая 1) в области λ не менее 500 нм близка к 90%. В коротковолновой области вследствие светорассеяния воздушно-сухих пластин их светопропускание уменьшается и составляет примерно 70% при λ, равном 400 нм, и 30% при λ, равном 300 нм. Использование иммерсии существенно уменьшает светорассеяние макропористых стекол и значительно увеличивает их светопропускание в коротковолновой области (при λ, равном 300 нм, Т примерно равно 80%, кривая 1’).

Коротковолновая граница светопропускания иммертированных стекол определяется поглощением кварцевого каркаса макропористого стекла. Увеличение толщины воздушно-сухих макропористых стекол до 3-4 мм приводит к уменьшению величины Т и сдвигу границы светопропускания в длинноволновую область. Однако иммертирование толстых пластин дает возможность успешно использовать их в качестве матрицы для оптических элементов вплоть до 350-400 нм. Так, для иммертированной пластины толщиной 4 мм при λ, равном 400 нм, Т примерно равно 85%, а для λ, равном 350 нм, Т примерно равно 75% (кривая 3’). Для полученных нами воздушно-сухих пластин толщиной 3 и 4 мм при λ, равном 900 нм, величина Т примерно составляет 85% соответственно, тогда как для макропористых пластин толщиной 3 мм, которые удалось получить в работе (Рощина Ю.В. Получение образцов макропористых стекол из микропористых пластин толщиной более 2 мм, Физика и химия стекла, т.19, № 2, 1993, с.366-374) только из битермически обработанного исходного стекла типа ДВ-1 величина Т при λ, равном 900 нм не превышает 10%. Использованная нами методика также позволяет получить макропористые пластины толщиной до 4 мм из стекла типа ДВ-1 несколько иных составов (см., кривые 3 и 3’ на фиг.1).

На фиг.2 приведены кривые распределения объема пор по радиусам в макропористой пластине толщиной 1 мм (кривая 1) и центральной части этой же пластины толщиной 0,3 мм (кривая 2), полученные методом адсорбции-десорбции паров ртути. Близкие значения преобладающих радиусов пор (8,5 и 8,4 нм соответственно) свидетельствуют о высокой однородности макропористой структуры по объему пластин.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает достижение технического результата, а именно позволяет получить однородное макропористое стекло оптического качества толщиной до 4 мм.

Изобретение относится к технологии изготовления макропористых стекол оптического качества из натриевоборосиликатного стекла типа ДВ-1 и может быть использовано для создания объемных микрогетерогенных сред как элементной базы в системах записи, хранения и обработки информации, в волоконно-оптических системах передачи информации, в голографии и лазерной технике. Техническим результатом является получение однородного макропористого стекла оптического качества толщиной до 4 мм. В способе получения макропористого стекла оптического качества путем обработки раствором щелочи пластин из микропористого стекла в течение времени, соответствующего получению величины относительного объема пор не менее 50%, последующего промывания дистиллированной водой и сушки, производят обработку раствором щелочи пластин толщиной от 3 до 4 мм при температуре раствора от 0 до 2^оС, промывание - при температуре дистиллированной воды, близкой к температуре ее замерзания, в течение 7 суток с ежедневной сменой дистиллированной воды, затем температуру дистиллированной воды увеличивают до комнатной температуры, сушку производят при температуре 80^оС в течение от 1 до 1,5 часов, а перед сушкой пластин производят постепенное их перемещение из последней дистиллированной воды через водно-спиртовые растворы с возрастающей концентрацией спирта, а затем через безводный спирт. 2 ил.

Способ получения макропористого стекла оптического качества путем обработки раствором щелочи пластин из микропористого стекла в течение времени, соответствующего получению величины относительного объема пор не менее 50%, последующего промывания дистиллированной водой и сушки, отличающийся тем, что производят обработку раствором щелочи пластин толщиной от 3 до 4 мм при температуре раствора от 0 до 2^оС, промывание - при температуре дистиллированной воды, близкой к температуре ее замерзания, в течение 7 суток с ежедневной сменой дистиллированной воды, затем температуру дистиллированной воды увеличивают до комнатной температуры, сушку производят при температуре 80^оС в течение от 1 до 1,5 ч, а перед сушкой пластин производят постепенное их перемещение из последней дистиллированной воды через водно-спиртовые растворы с возрастающей концентрацией спирта, а затем через безводный спирт.