СПОСОБ РАВНОМЕРНОГО ОБЪЕМНОГО ОКРАШИВАНИЯ ПРОЗРАЧНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СТЕКЛА Российский патент 2022 года по МПК C03C4/02 C03C10/08 C03C3/85 B82Y40/00 

Описание патента на изобретение RU2774528C1

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.

Похожие патенты RU2774528C1

название год авторы номер документа
ПРОЗРАЧНЫЙ СИТАЛЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2016
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Савинков Виталий Иванович
  • Закалашный Александр Вадимович
  • Алексеев Роман Олегович
RU2645687C1
ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЙ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2020
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Наумов Андрей Сергеевич
  • Савинков Виталий Иванович
  • Лотарев Сергей Викторович
RU2756886C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИТАЛЛА 2014
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Савинков Виталий Иванович
  • Строганова Елена Евгеньевна
  • Игнатов Александр Николаевич
RU2569703C1
ФТОРСОДЕРЖАЩЕЕ СТРОНЦИЙАЛЮМОСИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО ДЛЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ СТЕКЛОИОНОМЕРНЫХ ЦЕМЕНТОВ 2022
  • Савинков Виталий Иванович
  • Зинина Энжегель Мансуровна
  • Клименко Наталия Николаевна
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Романенко Анастасия Андреевна
  • Посохова Вера Фёдоровна
  • Чуев Владимир Петрович
  • Бузов Андрей Анатольевич
  • Казакова Валентина Сергеевна
RU2801216C1
ФОСФАТНОЕ СТЕКЛО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2015
  • Шахгильдян Георгий Юрьевич
  • Степко Александр Александрович
  • Савинков Виталий Иванович
  • Сигаев Владимир Николаевич
RU2637676C2
ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО 2021
  • Романов Николай Александрович
  • Алексеев Роман Олегович
  • Савинков Виталий Иванович
  • Сигаев Владимир Николаевич
RU2781350C1
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПАССИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ЗАТВОРА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2008
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
  • Шашкин Александр Викторович
RU2380806C1
СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТЕКЛА ДЛЯ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ 2021
  • Липатьев Алексей Сергеевич
  • Шахгильдян Георгий Юрьевич
  • Ветчинников Максим Павлович
  • Липатьева Татьяна Олеговна
  • Лотарев Сергей Викторович
  • Сигаев Владимир Николаевич
RU2783108C1
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2012
  • Голубев Никита Владиславович
  • Игнатьева Елена Сергеевна
  • Савинков Виталий Иванович
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Саркисов Павел Джибраелович
RU2494981C1
ЛЕГКОПЛАВКАЯ СТЕКЛОКОМПОЗИЦИЯ 2018
  • Чакветадзе Джулия Кобаевна
  • Зинина Энжигель Мансуровна
  • Спиридонов Юрий Алексеевич
  • Сигаев Владимир Николаевич
RU2697352C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 774 528 C1

Реферат патента 2022 года 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.

Формула изобретения RU 2 774 528 C1

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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2774528C1

Изложница с суживающимся книзу сечением и с вертикально перемещающимся днищем 1924
  • Волынский С.В.
SU2012A1
МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И ЮВЕЛИРНЫХ КАМНЕЙ С ВЫСОКИМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ 2017
  • Краткий Ростислав
  • Алтшмид Якуб
RU2758310C2
RU 99118759 A, 20.07.2001
ПРОЗРАЧНЫЙ СИТАЛЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2016
  • Сигаев Владимир Николаевич
  • Савинков Виталий Иванович
  • Закалашный Александр Вадимович
  • Алексеев Роман Олегович
RU2645687C1
ТЕРМОСТОЙКИЙ СИНТЕТИЧЕСКИЙ ЮВЕЛИРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2013
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
RU2545380C2
EP 1894899 A1, 05.03.2008.

RU 2 774 528 C1

Авторы

Сигаев Владимир Николаевич

Шахгильдян Георгий Юрьевич

Атрощенко Григорий Николаевич

Липатьев Алексей Сергеевич

Лотарев Сергей Викторович

Зиятдинова Мариям Зиннуровна

Даты

2022-06-21Публикация

2021-12-13Подача