способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми свойствами из синтетических шихт

Классы МПК:C03B19/10 изготовление стеклянных шариков 
C03B8/02 жидкофазными способами
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2001-10-08
публикация патента:

Использование: область стекольной промышленности, в частности технология производства стеклянных микроизделий для изготовления полых стеклянных микросфер для лазерно-физических экспериментов. Техническая задача - разработка способа получения микросфер с возможностью регулирования химической стойкости и коэффициента водородной проницаемости. Сущность изобретения: подбирают качественный состав функциональных компонентов и рассчитывают оптимальную концентрацию компонентов синтетической шихты: SiO2 54,56-60,53 мас.%, В2О3 3,24-7,01 мас.%, Na2O 12,31-20,10 мас.%, К2О 0,09-1,07 мас.%, СаО 5,59-6,56 мас.%, MgO 1,35-2,79 мас.%, Al2О3 0,02-1,13 мас.%, PbO 11,28-12,53 мас.%. При изменении силикатного модуля в диапазоне 2.8<n<3.4 для расчета количественного состава компонентов используют математическую модель, в которой последовательно введены зависимости коэффициента водородной проницаемости и химической стойкости от факторов структуры - силикатного модуля стеклообразующей композиции nSi и молекулярных объемов Vi функциональных компонентов синтетической шихты, основанные на анализе графических зависимостей коэффициента водородной проницаемости способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 и химической стойкости от количественного состава шихты. Затем термообрабатывается фракция шихты 150-300 мкм. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

1. Способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми свойствами из синтетических шихт, включающий подбор качественного состава функциональных компонентов, расчет оптимальной концентрации компонентов синтетической шихты с последующей термообработкой шихты, отличающийся тем, что для расчета количественного состава компонентов используют математическую модель, в которую последовательно введены зависимости коэффициента водородной проницаемости и химической стойкости от факторов структуры - силикатного модуля стеклообразующей композиции и молекулярных объемов функциональных компонентов синтетической шихты, основанные на анализе графической зависимости коэффициента водородной проницаемости и химической стойкости от количественного состава компонентов, а термообработке подвергают фракцию шихты 150-300 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно готовят водорастворимую композицию при следующем содержании компонентов, мас.%:

SiO2 54,56 - 60,53

В2O3 3,24 - 7,01

Na2O 12,31 - 20,10

К2О 0,09 - 1,07

МgО 1,35 - 2,79

СаО 5,59 - 6,56

РbО 11,28 - 12,53

А12O3 0,02 - 1,13

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области стекольной промышленности, в частности к технологии производства стеклянных микроизделий, и может быть использовано для изготовления полых стеклянных микросфер для лазерно-физических экспериментов (ЛФЭ).

Известен способ получения полых стеклянных микросфер, включающий предварительное изготовление исходного синтетического сырья и его последующую распылительную сушку (заявка РФ №95117566, МПК С 08 J 3/12, опубл 20. 09. 97 г., БИ №25/97).

К недостаткам известного способа относится отсутствие возможности регулирования показателей качества микросфер, пригодных для ЛФЭ.

Известен наиболее близкий по технической сущности и заявляемому техническому результату способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми свойствами из синтетических шихт (Tsugawa Р.Т., Моеm J., Roberts P.E., Souers P.G. Permeation of helium and hydrogen from glass-microsphere laser targets //J.Appl.Phys. - 1976. - V. 47, №5. - P. 1987-1993), включающий подбор качественного состава функциональных компонентов, расчет оптимальной концентрации компонентов синтетической шихты с последующей термообработкой шихты.

К недостаткам известного способа относится проблематичность получения микросфер с возможностью регулирования химической стойкости и коэффициента водородной проницаемости. Кроме того, в известном способе не указана оптимальная фракция шихты, подвергаемой термообработке, обеспечивающая получение микросфер заданных размеров, пригодных для ЛФЭ.

Задачей изобретения является разработка способа получения микросфер с возможностью регулирования химической стойкости и коэффициента водородной проницаемости.

Новый технический результат заключается в получении микросфер с регулируемыми свойствами, а конкретно в обеспечении возможности регулирования коэффициентов водородной проницаемости и химической стойкости готовых изделий в заданном диапазоне концентраций компонентов.

Дополнительный технический результат заключается в обеспечении дополнительного повышения химической стойкости и в снижении коэффициента водородной проницаемости.

Указанная задача и новый технический результат достигаются тем, что в известном способе, включающем подбор качественного состава функциональных компонентов и расчет оптимальной концентрации компонентов синтетической шихты, в соответствии с предлагаемым способом для расчета количественного состава компонентов используют математическую модель, в которой последовательно введены зависимости коэффициента водородной проницаемости и химической стойкости от факторов структуры - силикатного модуля стеклообразующей композиции и молекулярных объемов функциональных компонентов синтетической шихты, основанные на анализе графических зависимостей коэффициента водородной проницаемости и химической стойкости от количественного состава компонентов, а термообработке подвергают фракцию шихты 150-300 мкм.

Кроме того, предварительно готовят водорастворимую композицию при следующем содержании компонентов, мас.%:

SiO2 54,56-60,53

В2O3 3,24-7,01

Na2O 12,31-20,10

К2O 0,09-1,07

МgО 1,35-2,79

CaO 5,59-6,56

РbО 11,28-12,53

Аl2O3 0,02-1,13

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.

Предварительно готовят водорастворимую композицию, например, при следующем содержании компонентов, мас.%:

SiO2 54,56-60,53

В2O3 3,24-7,01

Na2O 12,31-20,10

К2O 0,09-1,07

МgО 1,35-2,79

CaO 5,59-6,56

РbО 11,28-12,53

Аl2O3 0,02-1,13

Для обеспечения заданных показателей в предлагаемом способе получения микросфер используют стеклообразователи - оксиды кремния SiO2 и бора В2O3, модификаторы - оксиды натрия Na2O и калия К2O и дополнительно оксиды кальция CaO, магния МgО, алюминия Аl2О3 и свинца PbO, молекулярные объемы которых и коэффициент водородной проницаемости готовых изделий (микросфер) рассчитывают в соответствии со следующей математической моделью (системой линейных уравнений):

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693=-25.67464+1.12548·х

lgVSi=1.52843-0.05798·х

lgVNa=1.39377-1.01806

lgVK=-3.28975+4.18119·х

lgVCa=0.23179+0.04183·х при x=lgnSi

|gVMg=-0.76681+1.07759·х

lgVAl=-5.485+7.42105·х

lgVB=1.03925-1.50984·х

lgVPb=0.17588-0.01783·х

где V - молекулярный объем оксида-ингредиента, который идентифицирован нижним индексом-символом соответствующего элемента; способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693-коэффициент водородной проницаемости; nSi - силикатный модуль, равный отношению концентраций оксидов SiO2 и Na2O. Границы применимости системы уравнений: для классического твердофазного способа получения микросфер 2.8<n<5, для способа получения микросфер из шихт, синтезированных в водной среде, 2.8<n<3.4.Основу стеклообразующей композиции для изготовления микросфер для ЛФЭ составляют оксиды SiO2, В2O3, Na2O, K2O. Для повышения устойчивости стекла по отношению к корродирующим компонентам атмосферы в композицию дополнительно введены оксиды СаО, МgО, Аl2О3, что приводит к повышению химической стойкости. В качестве рентгенопоглощающего компонента применен оксид РbО. В качестве компонентов стеклообразующей композиции для изготовления диагностических микросфер для ЛФЭ выбраны оксиды: SiO2, В2О3, Na2O, К2O, СаО, МgО, Аl2О3 и РbО.

SiO2 повышает химическую стойкость стекла; в силикатных стеклах является основным структурообразователем; в то же время SiOa способствует повышению водородной проницаемости стекла, что отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики стеклянных микросфер.

В2O3 в зависимости от содержания щелочных и щелочноземельных оксидов может находиться в тройной [ВO4] и тетраэдрической [ВО3] координации по кислороду, поэтому в стекле может встраиваться в кремниевокислородную сетку или образует собственную структуру; [ВO4] повышает химическую стойкость стекла и его водородопроницаемость, [ВО3] понижает указанные свойства.

Аl2O3 в щелочно-силикатных стеклах является промежуточным между стеклообразователями и модификаторами; алюминий может находиться в тетра-, гекса- и октаэдрической координации за счет кислорода, вносимого в стеклообразующую систему щелочными оксидами. Аl2О3 усиливает диффузию катионов Na+ из глубинных слоев стекла к поверхности, чем увеличивает пористость структуры, водородопроницаемость и коррозию стекла. Щелочноземельные катионы ослабляют данный эффект, т.е. повышают химическую стойкость Аl2О3-содержащих стекол.

СаО и МgО повышают химическую стойкость стекол, заменяя собой часть щелочных оксидов, но при содержании МgО сверх 5 мас.% усиливается склонность силикатных стекол к кристаллизации, в результате чего увеличивается их водородопроницаемость.

РbО ухудшает химическую стойкость силикатных стекол, но снижает их склонность к кристаллизации. Однако в свинцовоборосиликатной системе получают некоторые виды ситаллов, обладающие высокой химической стойкостью и низкой газопроницаемостью. Кроме того, щелочносвинцовоборосиликатный расплав может являться средой, в которой легко кристаллизуются другие оксиды.

Получение раствора обусловлено необходимостью синтеза целевых стеклообразующих фаз и максимальной гомогенизации состава при тщательном перемешивании реакционной смеси.

Теоретические исследования показывают, что поливалентные элементы характеризуются способностью изменять свое координационное число по кислороду, а также структурные особенности силикатов.

Проведен анализ некоторых характеристик стеклообразующих композиций: силикатного модуля nSi; фактора связности структуры Y; парциальных объемов оксидов способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693; молекулярных объемов Vi, занимаемых каждым из компонентов i в структуре стекла; коэффициента водородной проницаемости способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693.

Дополнительно рассматривалась внутренняя пористость Vint, %, для которой получено следующее выражение:

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

при этом

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

где n - количество всех компонентов композиции i; n-1 - количество компонентов за вычетом оксида кремния.

Параметр Vint применялся для оценочного расчета количества молей газа способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693, проходящего через оболочку микросферы массой mglass, плотность стекла способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693glass:

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

где коэффициент 0.45-102 получен при делении числа Лошмидта на число Авогадро, D - коэффициент диффузии газа через стекло. За время способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 истечет способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693, молей газа:

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

При способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 Vint=0, т.е. нет диффузии газа через стекло; при нулевой пористости микросферы нельзя наполнить газом. В реальных условиях это не происходит, и в ЛФЭ микросферы используются в качестве газовых микроконтейнеров.

При способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693V1=0 способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 и Vint=100%, т.е. пористость и диффузия газа через стекло максимальны. Такое может быть, если стекло состоит только из стеклообразователей. Его химическая стойкость и водородопроницаемость будут наибольшими, но синтез в водной среде неосуществим.

Из анализа выражений для способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 и способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 следует, что способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 т.е. газовая проницаемость, в т.ч. водородопроницаемость, зависит от соотношения молекулярных объемов компонентов Vi, формирующих структуру стекла, и объемная доля компонентов стеклообразующей композиции (без SiO2) способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693Vi не должна превышать объемную долю основного стеклообразователя способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 - оксида кремния.

В соответствии с математической моделью (системой линейных уравнений) последовательно задавая значения nSi из области оптимальных составов, рассчитали молекулярные объемы оксидов стеклообразующей композиции SiO2, B2O3, Na2O, К2O, СаО, МgО, Аl2О3 и РbО. Сумма способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693Vi не превышала способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693. Затем определили мольные доли mi,мол.д каждого из компонентов по формуле:

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

где i=1,2,...,n.

Далее рассчитали концентрации компонентов в мол. % Мi,мол %, после концентрацию из мол.% пересчитали в мас.% Mi, мас.%:

способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693

где M.мi - молекулярная масса i-того оксида.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с ростом силикатного модуля nSi увеличивается содержание основного стеклообразователя SiO2, уменьшается содержание основного модификатора Na2O, увеличивается общее содержание щелочноземельных оксидов СаО и МgО за счет снижения общего количества щелочных оксидов, возрастает количество Аl2О3 и РbО, снижается содержание В2O3, увеличивается Vint, фактор связности Y практически не меняется, что свидетельствует об образовании двумерной слоистой структуры. Химическая стойкость возрастает, но водородная проницаемость также увеличивается, это подтверждается ростом коэффициента способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 С уменьшением nSi в указанных пределах химическая стойкость и способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 уменьшаются за счет уменьшения общего содержания стеклообразователей и увеличения содержания щелочных оксидов, уменьшения количества щелочноземельных оксидов, Аl2О3 и РbО, роста Vint при неизменном Y. Щелочные оксиды уменьшают Vint и наиболее эффективно снижают водородопроницаемость стекла, но при этом снижают химическую стойкость. Стеклообразователи наиболее эффективно повышают химическую стойкость, но усиливают способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693.

Сравнивая композиции, содержащие SiO2, В2O3, Na2O, К2О, CaO, MgO, Al2O3 и РbО, по коэффициенту способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693, необходимо предпочесть составы с низким nSi. Из сравнения по фактору "химическая стойкость" следует необходимость выбора составов с высоким nSi, т.е. необходима оптимизация составов по способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 и nSi.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать стеклообразующие композиции для изготовления диагностических микросфер для ЛФЭ с регулируемыми свойствами - коэффициентом водородной проницаемости и химической стойкости в зависимости от силикатного модуля nSi.

Промышленная применимость предлагаемого способа может быть подтверждена примерами 1-3 из таблицы.

Пример 1. В лабораторных условиях в водной среде получен состав, содержащий SiO2, В2O3, Na2O, K2O, CaO, MgO, Аl2О3 и РbО, с силикатным модулем nSi=3.4.

Пример 2. В лабораторных условиях в водной среде получена стеклообразующая композиция, содержащая указанные оксиды, с силикатным модулем nSi=3.

Пример 3. В лабораторных условиях в водной среде получена стеклообразующая композиция, содержащая указанные оксиды, с силикатным модулем nSi=2.8.

Синтез в водный среде при nSi=3.4 невозможен (область классической технологии), а при nSi<2.8 не имеет смысла из-за низкой химической стойкости стекла.

Расчет молекулярных объемов оксидов, занимаемых ими в структуре стекла, внутренней пористости, коэффициента водородной проницаемости, фактора связности структуры и концентраций оксидов в мас.% в заявляемом диапазоне в зависимости от величины силикатного модуля из области его допустимых значений приведен в таблице. В графической форме изменение свойств композиций - внутренней пористости, коэффициента водородной проницаемости, фактора связности структуры в зависимости от величины силикатного модуля из области его допустимых значений приведены на чертеже.

Таким образом, использование всех этапов предлагаемого способа и композиций в заявляемом диапазоне концентраций компонентов обеспечивает возможность регулирования коэффициентов водородной проницаемости способ получения стеклянных микросфер с регулируемыми   свойствами из синтетических шихт, патент № 2235693 и химической стойкости готовых изделий.

Класс C03B19/10 изготовление стеклянных шариков 

способ производства микрошариков и микросфер -  патент 2527427 (27.08.2014)
способ изготовления микрошариков и микросфер -  патент 2527047 (27.08.2014)
состав шихты для изготовления композиционных микрошариков, способ ее получения -  патент 2513071 (20.04.2014)
способ получения микрошариков из иттрий-алюмосиликатного стекла для радиотерапии -  патент 2505492 (27.01.2014)
способ получения микросфер для радиотерапии -  патент 2485059 (20.06.2013)
бисер -  патент 2472721 (20.01.2013)
способ изготовления полых стеклосфер, сырьевая шихта для изготовления полых стеклосфер -  патент 2465224 (27.10.2012)
способ изготовления полых стеклосфер, сырьевая шихта для изготовления полых стеклосфер -  патент 2465223 (27.10.2012)
устройство для производства шарового рабочего тела -  патент 2454375 (27.06.2012)
состав стекла и способ изготовления проппантов из него -  патент 2433966 (20.11.2011)

Класс C03B8/02 жидкофазными способами

Наверх