ITTO940867A1 - Vetro di borosilicato con elevata trasmissione del campo uv con bassa dilatazione termica ed elevata resistenza chimica. - Google Patents
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Abstract
Vetro di borosilicato con un elevata trasmissione pari ad almeno all'80% con una lunghezza d'onda di 254 nm e con uno spessore dello strato pari a 2 mm, e con un coefficiente di dilatazione termica ? 20/300 compreso tra 3.2 a 3.4 x 10-6 k-1, con una resistenza idrolitica della classe 1 secondo DIN 12 111, e con una composizione (in per cento in peso su base ossida) di sostanze vetrificanti ?96; SiO2+B2O3+Al2O3 < 98; ossidi alcalini >2; K2O; Li2O 2:1-1:1; ossidi alcalino - terrosi + Zn O <0,3;mezzi di riduzione 0,025-2, mezzi di depurazione non ossidanti 0-3. Il vetro è particolarmente adatto quale materiale permeabile agli UV per le finestre di EPROM, per lampade a UV, fotomoltiplicatori, apparecchi per analisi spettrale, in particolare modo anche con condizioni climatiche sfavorevoli e può anche essere utilizzato come vetro di protezione per lampade a UV immerse nell'acqua nel trattamento delle acque di scarico, nei reattori di ossidazione a UV e/o nei reattori a energia solare.
Description
DESCRIZIONE
Il vetro dell'invenzione è un vetro di borosilicato con elevata trasmissione nel campo di UV, con bassa dilatazione termica e con elevata resistenza chimica, la sua produzione e il suo impiego.
I vetri con una elevata permeabilità agli UV trovano numerose possibilità di impiego. Essi vengono impiegati ad esempio quali finestre Eprom e per i vetri in UV, quali finestre nei fotomoltiplicatori e negli apparecchi di analisi spettrale come pure sottoforma . di tubi di protezione delle lampade a UV nei reattori a UV . I reattori con ossidazione a UV vengono impiegati per diminuire o per eliminare le sostanze dannose nelle acque rese impure dal punto di vista' chimico e/o biologico nelle maniere più diverse oppure per eliminare i batteri dall'acqua potabile.
La diminuzione dei composti chimici come ad esempio CKW, FCKW, AOX o BTX o lo sterminio per via essiccativa di batteri nell’acqua è favorito dalla radiazione UV- soprattutto nella lunghezza d'onda di 253,7 nm-. Un tubo di protezione per i raggi UV, che deve venire impiegato in maniera universale in tutti i punti dei reattori di ossidazione UV, deve quindi avere oltre ad un'elevata trasmissione di UV a 254 nm una resistenza chimica molto buona, dal momento che è esposto all'attacco di soluzioni acquose per un tempo molto lungo ed eventualmente a temperature elevate. Dal momento che i reattori di ossidazione a UV possono essere esposti anche a sollecitazioni termiche elevate durante il loro funzionamento, il tubo di protezione contro.i raggi deve avere una resistenza il più possibile elevata alle variazioni di temperatura, la quale si può ottenere con una ridotta dilatazione termica.
Il vetro di quarzo è di per se molto adatto quale vetro permeabile ai UV, però viene impiegato, a causa del suo prezzo elevato e della sua difficile possibilità di lavorazione solamente in casi eccezionali, nel quale sono necessarie caratteristiche idrolitiche particolarmente favorevoli. Nel caso del vetro di quarzo è inoltre svantaggiosa la cattiva possibilità di fusione con substrati ceramici ( ad esempio Al203)r con le leghe NI-FE-CO o con molibdeno a causa del coefficiente di dilatazione troppo basso.
E' noto sul mercato il vetro di "Borosi1icato 3.3”, un vetro di borosilicato con dilatazione minima con la resistenza chimica massima possibile - e quindi con elevata resistenza alle variazioni di temperatura .
A causa della sua ridotta dilatazione termica pari a a 20/300 <= >x 10 e della sua .elevata resistenza chimica, questo vetro assume in campo mondiale una straordinaria posizione ad esempio nel settore degli apparecchi da laboratorio, delle apparecchiature chimiche, dei condotti tubolari dei raccordi e del vetro per uso domestico.
Esso viene commercializzato con diversi marchi di fabbrica - come ad esempio Duran, Pyrex, Rasotherm e Simax ed . ha una composizione chimica molto simile, che si trova in un campo pari a circa ( per cento in peso) SiC>280-81%; B2O3 12-13%; Al2Ο3 2-3% e Na20+K20 4-5%.
Per il Duran viene implicata dal produttore secondo il catalogo dei vetri da laboratorio numero 50020/1991 la seguente composizione (in per cento in peso):
Si02 81%; B203 13%; Al203 2%; Na20+K20 4%.
Il "vetro di borosilicato 3:3" presenta però una permeabilità troppo ridotta agli UV nel campo UV-B (280-315 nm), dovuta alla sua composizione. Per le lunghezze d'onda inferiori a circa 300 nm esso è tropo poco permeabile, anche quando si fonde il vetro.con materie prive di Fe203.
Nel passato durante lavori di sviluppo sul "vetro di borosilicato 3,3" non è stato manifestamente rilevato il fatto che è possibile influenzare in maniera determinante la sua insufficiente permeabilità agli Uv dovuta a fattori strutturali mediante ad una variazione mirata della struttura. Così dal DE-PS 767 476 è da lungo tempo noto un vetro di borosilicato avente la seguente composizione (in per cento in peso), Sio2+Al203 72,5-83;B203 0-15; ossidi alcalini e alcalino ferrosi 4-16.
Dal US PS 3,258,352 il tecnico è a conoscenza di un vetro per (in mol per cento) Sio2+B203+Al203 > 75; A1203 0-20; B203 0-50; Li20+Na20+K20 0-20;MgO+CaO+SrO+BaO 0-30;PbO 0-20.
Il JP-AS 92-33741 B2 indica una composizione di un vetro (in per cento in peso) Si0268-82; Al203 0,5-5; B203 10-18; Li20+Na20+K20 3,5-8; CaO+MgO 03; metodo di depurazione 0,05-1.
Dallo stato della tecnica non si può derivare il fatto che esista un vetro di Borosilicato del tipo "borosilicato 3.3” con una elevata trasmissione nel campo degli UV.
L'unico materiale fortemente permeabile agli UV con ridotta dilatazione e con elevata resistenza chimica è sino ad ora il vetro di quarzo o il vetro di silice.
Questo vetro ha un singolo componente però, come è già stato ricordato all'inizio, è molto costoso, si può produrre con molta difficoltà o addirittura non si riesce a produrre secondo dimensioni geometriche complicate e con tolleranze ristrette. Lo scopo dell'invenzione consiste quindi nel fatto di provare in un vetro di borosilicato del tipo "vetro di borosilicato 3,3" con caratteristiche analoghe k della dilatazione termica, viscosità, resistenza chimica , possibilità di fusione e resistenza alla cristallizzazione, il quale però presenta inoltre una elevata trasmissione di UV pari almeno alla 80% con una lunghezza d'onda di 254 nm e con densità dello strato di 2mm, il quale ha una resistenza idrolitica da buona a molto buona della classe 1 secondo DIN 12 111, mostra un coefficiente di dilatazione termico lineare *20/300 di 3.2-3. 4 x 10 ^ K ^ e si può fondere facilmente soprattutto per quanto riguarda la buona permeabilità agli UV, ossia per il fatto che ridotte modifiche delle condizioni di riduzione per lo ione di ferro (III) non hanno effetto o hanno un effetto estremamente ridotto sulla trasmissione degli UV. Questo problema viene risolto mediante il vetro presentato nella rivendicazione 1 (in per cento in peso in base ossido) ;Vetrificatore < 96 ;SÌO2+B2O3+AI2O3 < 98 ;Ossido alcalino > 2 ;K20:Li20 2:1 - 1:1 ;Ossidi alcalini ferrosi < 0.3 ;Mezzi di riduzione . 0.025 - 2 ;Mezzi di depurazione non ossidanti 0 - 3 ;E' stato sorprendentemente riscontrato che il noto "vetro di borosilicato 3,3" si deve modificare strutturalmente modificando il suo contenuto di ossido alcalino in modo da realizzare una matrice o tenute permeabili agli UV la quale permetta trasparenze agli UV pari a Y250 nm/2mm > 80% e nello stesso tempo è in grado di mantenere la particolare combinazione delle caratteristiche di una ridotta dilatazione termica e di una elevata resistenza chimica. ;Nei vetri di borosilicato la permeabilità agli Uv con un contenuto di impurezze assegnate viene determinata su assorbitori di UV mediante rapporto tra i gruppi di coordinazione da BO3 a BO4. ;Una elevata permeabilità agli UV richiede una struttura nella quale esistono un numero il più possibile elevato di atomi di boro quali elementi, della struttura di BO3 e negli anelli di boroxolo (Ββθβ). ;Dal momento che in alcune ricerche per mezzo della spettroscopia RAMAM è stato stabilito che soltanto una tale costellazione garantisce una tale permeabilità agli UV , si è dovuto cercare di modificare a tale proposito la struttura del "vetro di borosilicato 3,3". ;Una tale ottimizzazione della struttura si è ottenuta in maniera sorprendente con l'impiego di quantità indefinite di K2O e LijO con contenuti pressoché non modificati di SÌO2, B2O3 <e >Al2®3* In prove di laboratorio è stato determinato che l'impiego di 2,0-3,5 per cento in peso di KjO e di 1,0-2,0 per cento in peso di LÌ2O mantenéndo i rapporto tra KjO e LÌ2O compreso tra circa 2:1 a circa 1:1 si ricava un vetro il quale si avvicina nelle sue caratteristiche fisico chimiche più significative - sino alla migliorata permeabilità ai UV - al "vetro di borosilicato 3,3".
La dilatazione termica si deve regolare nel campo “20/300 <= >3,2-3,4 x 10 <6 >K<_1 >e la resistenza chimica corrisponde anch'essa con la classe idrolitica 1 o con la classe degli acidi 1 al "vetro di borosilicato 3,3".
Per quanto riguarda il comportamento nella fusione di comportamento di purificazione, la viscosità alle elevate temperatura, la resistenza alla cristallizzazione e la possibilità di lavorazione, il vetro conforme all’invenzione è anche molto simile al vetro di confronto Duran .
Il vetro di borosilicato secondo l’invenzione, presenta inoltre una composizione (un per cento intesa su base ossido) di Si02 79.0-81.0; B2O3 12.5-13.0; A1203 2.0-4.0; K20 2.0-3. 5; Li201.0-2.0 mezzi di riduzione 0,025 e mezzi di depurazione non ossidanti 0-3.0.
E' stato verificato mediante prove, che è necessario al fine di raggiungere dei gradi molto elevati di trasmissione di UV pari a V2so nm/2mm <> >80%, utilizzare delle materie prime prive di ferro per cui nel vetro non è contenuto più di 5 ppm Fe2°3·
Si possono impiegare quali mezzi di riduzione tutti gli agenti che riducono Fe in Fe
Nel caso della fusione in laboratorio all'atmosfera ambiente in un forno riscaldato elettricamente, si sono raggiunte le migliori permeabilità ai UV con silicio metallico quale mezzo di riduzione, il quale è stato impiegato in un ordine di grandezza di circa 300 ppm di Si.
Ciascun processo di fusione richiede in tal caso un tipo e una quantità di mezzo di riduzione adattato in funzione delle condizioni specifiche.
Il potenziale REDOX necessario per la riduzione del 3+ si può sorprendentemente regolare in modo costante con relativa semplicità a causa della basicità dei vetri secondo l'invenzione, ciò significa che elevata permeabilità ai UV la quale come Y254 compreso fino a circa 87/88% presenta i livello dei vetri EPROM, è relativamente incensibile nei riguardi delle variazioni di tecnologia di colata.
Da una parte lina quantità intensiva di mezzi di riduzione non provoca degli assorbimenti non voluti e da altra parte il ferro Fe^ ridotto 'malgrado l'emissione di aria può venire mantenuto secondo il valoré voluto.
Questà stabilità della elevata permeabilità ai UV rappresenta un grande vantaggio in confronto agli altri tipi di vetri.
La depurazione del vetro è stata effettuata con dei cloruri, di preferenza con cloruro di potassio (KCl in parte con ridotte quantità di cloruro di sodio, NACl).
A lato della scelta dei mezzi di depurazione di deve tenere conto che vengano impiegati degli agenti non ossidanti, i quali inoltre non devono anche contenere alcuna sostanza che assorbe UV, per cui non si devono utilizzare nitrati, solfati, As 0 , Sb-0 e CeO .
Nella tabella 1 sono riportate le composizione dei vetri secondo l'invenzione e le materie prime impiegate per la fusione.
Le materie prime.sono state impiegate sottoforma di farina di quarzo ■(nome commerciale di Sipur Yotaquarz), acido borico, idrogeno di alluminio, carbonato di potassio, carbonato di litio e cloruri in qualità osside molto pure con ridotti contenuti Fe 0 .
Per la colata si sono scelti dei crogioli con una capacità di circa un litro e con agitatori in vetro di quarzo. Le temperature della colata non sono da laboratorio riscaldato elettricamente erano pari a 1630-1650‘C, e la durata della colata è stata pari a circa 6-7 ore.
Le colate sono state effettuate alla maniera tradizionale all'atmosfera ambiente, sono state versate negli stampi e raffreddate per arrivare alla distensione.
Nella tabella 2 sono messe a rapporto importanti caratteristiche fisico-chimiche di un vetro^secondo. l’invenzione in confronto con il "vetro di borosilicato 3,3" in base dell'esempio del Duran^ 8330.
Appare evidente che il vetro secondo l'invenzione presenta sino ad una maggiore permeabilità agli UV delle caratteristiche uguali o del tutto uguali a quelle del Duran^.
Per il confronto della trasmissione degli UV si devono scegliere livelli analoghi di impurezze che assorbono gli UV . Per questo motivo il Duran_ è stato colato in quantità da laboratorio con materie prime osside prive di ferro - quindi molto pure nelle medesime condizioni del vetro secondo l'invenzione, così che la permeabilità agli UV aumentata bruscamente si può attribuire effettivamente all'ottimizzazione di struttura del vetro .
Il confronto della tabella 2 mostra inoltre che il vetro secondo l'invenzione ha viscosità minori, per cui esso si può colare con meno energia e con migliore qualità.
Tabella 1
Composizione dei vetri secondo l invenzione
Tabella 2
Caratteristiche fisico-chimiche del vetro secondo R
l'invenzione in confronto con il Duran 8330
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Vetro di borosilicato con elevata trasmi sione nel campo UV, con bassa dilatazione termica con elevata resistenza chimica, caratterizzato da una composizione in per cento in peso su base ossido Vetrificante < 96 SÌO2 < 98 Ossidi alcalini > 2 K20:Li^ 0 2:1 1:1 Ossidi di alcali ferrosi < 0,3 Mezzo di riduzione 0,025-2 Mezzi di depurazione non ossidanti 0 - 3 2. Vetro di borosilicato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da una composizione in per cento in peso su base ossido Si02 79,0 - 81,0 <B >12,5 - 13,0 2°3 <A >2,0 - 4,0 1⁄2 °3 K2O 2,0 - 3,5 Li^O 1,0 2,0 Mezzo di riduzione 0,025 2,0 Mezzi di depurazione non ossidanti - 3,0 3. Vetro di borosilicato secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato da un contenuto massimo di ossidi di ferro sottoforma di impurezze di 5 ppm. 4. Vetro di borosilicato secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato da - una trasmissione di almeno 80% con una lunghezza d'onda di 254 nm e con uno spessore dello strato di 2mm, - un coefficiente di dilatazione termica lineare ot "6 -1 3.4 x 10 K e 20/300 <dl 3,3> - una resistenza idrolitica della classe 1 secondo DIN 12111. 5. Procedimento per la produzione di un vetro di borosilicato secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato da, che il vetro viene fuso con l'impiego di mezzi che 3+ riducono Fe , in particolare con l'impiego si silicio metallico quale mezzo di riduzione . 6. L'impiego di un vetro di borosilicato secondo le rivendicazioni da 1 a 4, prodotto secondo il procedimento conforme alla rivendicazione 5 quale sostituto di un vetro di quarzo in un campo di lunghezze d'onda fino circa 250 nm, in particolare modo per la produzione di lampade a UV, di tubi di protezione per lampade a UV nei reattori di ossidazione a UV , quale materiale permeabile agli UV per finestre Eprom, fotomoltiplicatori, apparecchi per analisi spettrale o per reattori sol ari .
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