РАСТВОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕСЩЕЛОЧНОГО ТЕРМОСТОЙКОГО СТЕКЛА Российский патент 2006 года по МПК C03B8/02 

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.%:

Н₃ВО₃7,64-7,82NaOH26,46-26,72КОН10,25-10,48LiCO₃0,22-0,74Eu₂O₃0,7-4,00С₆Н₈O₇3,9-22,3(NH₄)₂СО1-3Н₃SiO₃остальное

Известен раствор для изготовления стекла для микросфер, включающий, в мас.%:

Н₃ВО₃5,56-7,44NaOH13,60-15,52КОН0,06-0,15СаСО₃5,94-6,06Mg(ОН)₂1,17-1,45Al(ОН)₃0,02-0,05PbO6,65-6,82(НООС)₃(СН₂)₂СОН20,5-22,90(Н₄NOOC)₃(С₆Н₃)₃СО(ОН)₂0,10-0,24Н₃SiO₃остальное

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

ТЭОС187,03Вода225Этанол60,4Al(NO₃)₃·9Н₂О136,13Са(СН₃COO)₂·Н₂О42,42Zn(СН₃COO)₂·Н₂О16,19Ва(СН₃COO)₂·Н₂О14,27

Пример 2

ТЭОС187,03Этанол150,1Вода257Al(NO₃)₃·9Н₂О136,13Са(СН₃COO)₂·Н₂O42,42Zn(NO₃)₂·6Н₂О21,94Ва(СН₃COO)₂·Н₂О14,27

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.

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.

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.:

ТЭОС187-220Вода220-270Этанол60-200Нитрат алюминия110-150Ацетат кальция35-50Ацетат цинка10-30Ацетат бария10-20