Способ получения пористого стекла

Способ получения пористого стекла

Владельцы патента RU 2540751:

Изобретение относится к способу получения пористых стекол. Технический результат изобретения заключается в получении пористого стекла с размером пор в интервале от 10 нм до 4 мкм. Стекломатериал обрабатывают расплавом нитрата натрия в интервале температур 350-500°С при изотермической выдержке в течение 2-192 часа. Далее стекло остужают, промывают в дистиллированной воде и высушивают при температуре 50-70°С в течение 2-3 часов. 3 ил.

Изобретение относится к способам получения пористых стекол, которые представляют собой новый класс наноструктурированных мембранных систем, обладающих рядом преимуществ по сравнению с другими пористыми материалами: термической, химической и биологической устойчивостью, в сочетании с регулируемыми структурными характеристиками и превосходными адсорбционными свойствами, обусловленными большим объемом пор с разветвленной поверхностью, способной к активной хемосорбции разнообразных веществ. Этот комплекс свойств пористых стекол наряду с уникальными электроповерхностными и транспортными характеристиками делает их перспективными базовыми матрицами для изготовления оптических и лазерных элементов, композиционных материалов с заданными свойствами, пористых элементов функционального назначения.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.

Известен способ получения пористого стекла по заявке US 2011/0269621, которое получают путем приготовления смеси, включающей порошок стекла, содержащего щелочной компонент, порошок B, включающий по меньшей мере один кристалл, выбранный из а) глинистый минерал, который имеет слоистую кристаллическую структуру и б) цеолита и порошок C в виде водорастворимой неорганической соли, формируют смесь, содержащую от 0,05 до 3 частей по массе B порошка и от 0,2 до 4 частей по массе порошка C по отношению к 1 части по массе порошка стекла, формуют смесь; обжигают формованное изделие при температуре ниже, чем температура плавления водорастворимой неорганической соли и равной или выше, чем температура размягчения стекла, после чего осуществляют выщелачивание растворимых в воде неорганических солей из обожженного стекла для получения гранулированного пористого стекла.

Известен способ получения пористого стекла по заявке US 2012/0189844 из фосфоросиликатного сырья путем смешения с растворимым порообразователем, нагрева и выщелачивания до получения стекла, имеющего взаимосвязанную систему макропор.

Известен способ получения пористого стекла по заявке US 2013/0045853, который обеспечивает получения пористого стекла, имеющего высокую прочность путем простого и безопасного процесса, который не требует использования высокотемпературной термической обработки или обработки кислотой. Способ включает смешивание 4% по массе или более до 6,5 мас % или менее оксида натрия, 26 мас % или более до 36 мас % или менее по весу окиси бора и 60 мас % или более до 68% по весу или менее оксида кремния; нагревании смешанных материалов для расплавления материала и охлаждении расплавленного материала в контакте с водой без подогрева до получения пористого стекла.

Данному аналогу присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, в связи с чем данное известное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Анализ отечественных и зарубежных публикаций показал, что известные способы получения пористых стекол используют метод выщелачивания и изучению их свойств. Пористое стекло получают в результате сквозного химического травления (выщелачивания) двухфазного стекла с взаимопроникающими фазами, состав и структура которых обусловлены процессами жидкостного фазового разделения (ликвации) в оксидных стеклообразующих щелочноборосиликатных системах.

Недостатком прототипа и всех известных аналогов является отсутствие возможности получения пористого стекла с заданными свойствами.

Задачей изобретения является возможности получения пористого стекла с заданными свойствами, в зависимости от состава стекла и солевого расплава, ионных радиусов обменивающихся катионов, температуры и времени взаимодействия, влияющих на распределение пор по размеру и строению образующейся структуры.

Сущность заявляемого изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата

Способ получения пористого стекла путем обработки исходного стекломатериала характеризуется тем, что обработку исходного стекломатериала осуществляют путем ионообменной обработки в расплавах нитрата натрия (NaNO₃) в интервале температур 350-500°C при изотермической выдержке в течение 2-192 часов, после чего полученный образец стекла остужают на воздухе, затем отмывают от остатков соли в дистиллированной воде при комнатной температуре и высушивают в сушильном шкафу при температуре 50-70°C в течение 2-3 часов.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Суть заявленного способа заключается в проведение ионного обмена между щелочными катионами стекла и катионами солевого расплава. Причина наблюдаемых особенностей ионообменного процесса состоит в том, что при температурах ниже температуры стеклования кремнекислородные группировки не могут изменять свою ориентацию и положение в пространстве. Замена щелочных катионов стекла на катионы с меньшим ионным радиусом — r и, соответственно, с большей силой поля z/r 2 приводит при T + (из модельного стекла KBaSi) на Na + (из расплава NaNO₃) формируется пористый материал с размером пор в интервале от 10 нм до 4 мкм.

Пористость полученных стекол изменяется от 0.025 до 0.070 см 3 /г в зависимости от режима ионообменной обработки. Градиент показателя преломления (n_d) пористых стекол при различных режимах ионообменной обработки изменяется от 1,5468 до 1,5442.

Степень обмена и концентрационное распределение щелочных катионов, образующихся при взаимодействии калиевобариевосиликатного стекла, с расплавом нитрата натрия, в процессе ионообменной обработки определялось при помощи электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализатора CAMEBAX.

Характеристики пористой структуры полученных стекол были оценены с помощью метода оптической микроскопии, атомно-силовой микроскопии и электронной микроскопии.

Микрофотографии образцов стекол после ионообменной обработке, полученные, с помощью оптической микроскопии представлены на фиг.1. Как можно видеть из представленных фотографий, микроструктура обработанных образцов не значительно меняется от времени изотермической выдержке. ACM — изображение поверхности стекла KBaSi после обработки в расплаве нитрата натрия при температуре 400°C, в течение 4 ч, представлено на фиг.2. На данном изображении хорошо различимы поры округлой формы, диаметром от 2 до 4 мкм. Ниже приведена электронная микрофотография (фиг.3) образца стекла KBaSi после обработки в расплаве, NaNO₃, при температуре 450°C, в течение 24 часов, на которой видны поры диаметром 10-40 нм.

Заявленный способ позволяет получить новые пористые стеклообразные материалы с заданными свойствами, в зависимости от состава стекла и солевого расплава, ионных радиусов обменивающихся катионов, температуры и времени взаимодействия, влияющих на распределение пор по размеру и строению образующейся структуры.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Способ получения пористого стекла путем обработки исходного стекломатериала, отличающийся тем, что обработку исходного стекломатериала осуществляют путем ионообменной обработки в расплавах нитрата натрия (NaNO₃) в интервале температур 350-500°C при изотермической выдержке в течение 2-192 часов, после чего полученный образец стекла остужают на воздухе, затем отмывают от остатков соли в дистиллированной воде при комнатной температуре и высушивают в сушильном шкафу при температуре 50-70°C в течение 2-3 часов.

Источник

Способ изготовления пористого стекла

Использование: изготовление звуко- и теплоизолирующих строительных конструкций. Пористое стекло получают путем составления шихты, введения в шихту восстановителя, варки стекла и формования стекла на расплаве металла. В качестве восстановителя вводят смесь порошков металлического алюминия и графита в количестве 0,44-1,2 мас.%. Соотношение алюминия и графита равно 1 : (0,1-1). Технический результат изобретения — обеспечение равномерности поризации стекломассы.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении звуко- и теплоизолирующих строительных конструкций.

Известен пористый материал — пеностекло, включающий оксиды SiO₂, B₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, So₃ и пенообразователи. Стекло подвергается помолу, смешивается с пенообразователем и вспенивается при температуре 800-900 o C. В качестве пенообразователей используют карбонаты кальция или углеродистые соединения /химическая технология стекла и ситаллов. Под ред. Н.М. Павлушкина, М.: Стройиздат, 1983, С. 360/.

Недостатком способа является то, что пеностекло получают в 2 стадии: сначала варка и выработка стекла, затем его помол и уже непосредственное образование пеностекла при вспенивании в специальной печи смеси стеклянного порошка и восстановителя. Кроме того, полученный таким способом материал имеет чрезвычайно низкую механическую прочность.

По авт.св. N 586138, МКИ C 03/С 11/00 вспенивание осуществляется за счет пузырьков сернистого газа, образующихся при смешении двух расплавов стекломассы, один из которых содержит сульфидную серу в количестве 0,5-6 мол.%, а другой — оксиды переходных металлов в количестве 0,1-1,6 мол.%. Недостатком способа является конструктивная сложность агрегата для варки и смешения двух типов стекломасс, а также низкая производительность.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является авт.св. N 1158511, C 03 C 3/085, 1983 г. В данном способе облицовочный материал с уменьшенным объемным весом на основе стекла получают путем приготовления шихты, варки стекла, формования и отжига с дополнительным вводом 0,5-3 мас.% восстановителя в шихту для получения стекла состава, мас.%: SiO₂ — 54-70; Al₂O₃ 2-10; CaO — 1-12; MgO — 0,1-4,5; P₂O₅ — 2-10 и, по крайней мере, один оксид из группы Na₂O, K₂O — 0,5-25; B₂O₃, — 0,1-10.

Недостатками способа являются: — ограничение составов узкими рамками; — варка стекломассы в восстановительной атмосфере; — необходимость вторичной термообработки; — недостаточная поризация стекла вследствие того, что при вторичной обработке процесс ведут при температуре 620-800 o C, где вязкость стекла уже не позволяет насытить его газовой фазой.

Сущность изобретения В заявляемом способе пористое стекло изготавливают путем составления шихты, введения в шихту восстановителя варки стекломассы и выработки ленты стекла с введением в шихту дополнительно смеси порошков металлического алюминия /Al/ и графита /C/ в количестве 0,4-1,2 мас.% при соотношении Al:C = 1: /0,1-1/, а формование ленты стекла осуществляют на расплаве металла.

Тщательно перемешанная с другими компонентами шихты смесь восстановителей — порошков металлического алюминия и графита ускоряет термическую диссоциацию компонентов шихты и разложения сульфата натрия. Графит, являясь поверхностно-активным веществом, обволакивает зерна алюминия, снижая чрезмерно высокую химическую активность алюминия и тем самым обеспечивая более равномерное и длительное по времени протекание реакций восстановления между введенной смесью и основной шихтой, сопровождающихся вспениванием стекломассы.

Процесс происходит при достаточно высокой вязкости стекломассы при температуре 1350-1400 o C, что предотвращает ее дегазацию.

При этом происходит равномерная во всем объеме поризация стекломассы, и при дальнейшем формовании вырабатывают поризованную равномерно по ширине и толщине ленту стекла. Варку стекла производят при нейтральной или слабоокислительной атмосфере. Ленту пористого стекла получают одностадийным методом. Способ применим для любого состава силикатного стекла.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. Состав шихты (кг/т стекла): Песок — 665 Сода — 238 Доломит — 178 Мел — 578
Пегматит — 655
Сульфат — 122
Дополнительно вводят восстановители — смесь порошкового металлического алюминия и графита в количестве 4,4 кг, что составляет 0,44 сверх 100%, соотношение Al: C = 1:0,1, Варят стекломассу в стекловаренной печи при температуре 1350 o C.

В процессе варки стекломасса вспенивается, затем подается в ванну расплава и вырабатывается в виде равномерно поризованной ленты. Объемная масса стекла 1500 кг/м 3 .

Пример 2. Состав шихты (кг/т стекломассы):
Песок — 682
Сода — 233
Доломит — 179
Мед — 588
Пегматит — 608
Сульфат — 11
Дополнительно вводят 8 кг смеси порошкового металлического алюминия и графита, что составляет 0,8% сверх 100%, соотношение Al:C = 1 : 0,5. Варят стекломассу в стекловаренной печи при температуре 1400 o C. В процессе варки стекломасса вспенивается, затем подается в ванну расплава и вырабатывается в виде равномерно поризованной ленты. Объемная масса стекла 1000 кг/м 3 .

Пример 3. Состав шихты (кг/т стекломассы):
Песок — 689
Сода — 249
Доломит — 195
Мел — 313
Пегматит — 521
Сульфат — 125
Добавляют смесь порошков металлического алюминия и графита в количестве 12 кг, что составляет 12% сверх 100%, соотношение Al:C = 1 : 1. Варят стекломассу в стекловаренной печи при температуре 1450 o C. В процессе варки стекломасса вспенивается, затем вырабатывается в виде равномерно поризованной ленты в ванне расплава. Объем массы стекла — 800 кг/м 3 .

Способ изготовления пористого стекла путем составления шихты, введения в шихту восстановителя, варки стекломассы и формования ленты стекла, отличающийся тем, что формование ленты стекла осуществляют на расплаве металла, а в качестве восстановителя вводят смесь порошков металлического алюминия и графита в количестве 0,44 — 1,2 мас.% при соотношении алюминия и графита, равном 1 : (0,1 — 1).

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.03.2011

Источник