RU2540754C1 - Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties - Google Patents
Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties Download PDFInfo
- Publication number
- RU2540754C1 RU2540754C1 RU2013154214/03A RU2013154214A RU2540754C1 RU 2540754 C1 RU2540754 C1 RU 2540754C1 RU 2013154214/03 A RU2013154214/03 A RU 2013154214/03A RU 2013154214 A RU2013154214 A RU 2013154214A RU 2540754 C1 RU2540754 C1 RU 2540754C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- hours
- heat treatment
- phase
- solution
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии пористых высококремнеземных стекол и может быть использовано в производстве нанопористых матриц в форме массивных изделий (пластин, дисков) с магнитными свойствами, обусловленными присутствием в стекле магнитной фазы Fe3O4 (магнетит), которые могут найти применение в качестве заготовок для создания новых нанокомпозитных полупроводниковых и диэлектрических материалов для микроэлектроники.The invention relates to the technology of porous high-silica glasses and can be used in the manufacture of nanoporous matrices in the form of massive articles (plates, disks) with magnetic properties due to the presence of the magnetic phase Fe 3 O 4 (magnetite) in the glass, which can be used as blanks for creating new nanocomposite semiconductor and dielectric materials for microelectronics.
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.To assess the novelty and technical level of the claimed solution, we consider a number of technical means known to the applicant for a similar purpose, characterized by a combination of features similar to the claimed invention, known from the information that became public until the priority date of the invention.
Известен 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), см. патент РФ №2172303.A known method of manufacturing porous glass by composing a charge, introducing a reducing agent into the charge, melting glass and forming a glass tape, characterized in that the glass tape is formed on a molten metal, and a mixture of aluminum metal and graphite powders in an amount of 0.44- is introduced as a reducing agent 1.2 wt.% With a ratio of aluminum and graphite equal to 1: (0.1-1), see RF patent No. 2172303.
Известны способы получения высококремнеземных пористых стекол с размерами пор нанометрового диапазона, описанные, например, в AC SU №1304339, №1544737, 1779674, которые состоят в том, что щелочноборосиликатные стекла с двухкаркасной структурой, формирующейся в результате процесса метастабильной ликвации при тепловой обработке стекла, обрабатывают в растворах кислот, промывают в воде и сушат. Так, например, в способе по а.с. №1779674 высококремнеземное пористое стекло получают путем термообработки щелочноборосиликатного стекла и травления в 0,1-5 М растворах соляной кислоты, при этом с целью повышения скорости выщелачивания после выдержки в растворе кислоты 5-20 ч продолжают травление с воздействием ультразвуковых колебаний с амплитудой 3-15 АПор, где АПор - амплитуда колебаний, соответствующая порогу кавитации. С целью оптимизации режима амплитуду колебаний излучателя устанавливают по максимальному подъему раствора в стеклянном капилляре, помещенном вертикально в рабочей емкости с раствором соляной кислоты. Способ позволяет ускорить в 2-5 раз процесс выщелачивания.Known methods for producing high silica porous glasses with pore sizes of the nanometer range, described, for example, in AC SU No. 1304339, No. 1544737, 1779674, which consist in the fact that alkaline borosilicate glass with a two-frame structure formed as a result of metastable segregation during heat treatment of glass, treated in acid solutions, washed in water and dried. So, for example, in the method according to A.S. No. 1779674 high-silica porous glass is obtained by heat treatment of alkali-borosilicate glass and etching in 0.1-5 M hydrochloric acid solutions, while etching is continued with exposure to ultrasonic vibrations with an amplitude of 3-15 to increase the leaching rate after exposure to acid for 5-20 hours ApoR, where ApoR is the amplitude of oscillations corresponding to the threshold of cavitation. In order to optimize the regime, the oscillation amplitude of the emitter is determined by the maximum rise of the solution in a glass capillary placed vertically in a working container with a solution of hydrochloric acid. The method allows to speed up the leaching process by 2-5 times.
Однако получаемые по этим технологиям пористые стекла, хотя и имеют параметры пористой структуры, близкие к требуемым, но не обладают магнитными свойствами, поскольку в их составе не содержится магнитная фаза.However, porous glasses obtained by these technologies, although they have parameters of the porous structure close to those required, do not possess magnetic properties, since they do not contain a magnetic phase.
Известен способ изготовления пористых магнитных стекол и хрусталя по патенту США №4395271, который включает подготовку образца, который при термообработке разделяют на по меньшей мере две стекловидные фазы и по крайней мере одну кристаллическую фазу, после чего подвергают травлению, оставляя структуру, которая содержит магнитные кристаллы, особенно подходящие для использования в биологических анализах.A known method of manufacturing porous magnetic glasses and crystal according to US patent No. 4395271, which includes the preparation of a sample, which during heat treatment is separated into at least two vitreous phases and at least one crystalline phase, and then subjected to etching, leaving a structure that contains magnetic crystals especially suitable for use in biological analyzes.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения пористых стекол с магнитными свойствами по патенту США №4233169. Согласно этому способу исходное стекло (базовые составы, мас.%: 3-15 Na2O и/или K2O; 10-25 Fe2O3; 10-40 B2O3 и 34-70% SiO2 без/с добавкой 0-10 Al2O3, 0-10 СаО, 0-5 MnO, 0-5 CdO, 0-3 Li2O, 0-5 PbO, 0-5 MgO, 0-3 P2O5, 0-10 ZnO, 0-5 NiO, 0-5 CoO, 0-3 Cr2O3, 0-3 V2O3, 0-3 MoO3, 0-5 TiO2 и 0-5 ZrO2) синтезируют по методу варки из шихты на воздухе в течение 16 часов при 1400-1650°C с последующим отжигом и одностадийной термообработкой при 500°C в течение 69 ч, при 600°C в течение 60 ч либо двухстадийной термообработкой при 700°C в течение 4 ч и 600°C в течение 60 ч для фазового разделения. Размолотые образцы в виде порошков (преимущественный размер фракции ≤2.4 микрона) обрабатывают в 0.5-3.0 N растворе HNO3 в течение 1÷3 ч при 95-100°C, несколько раз промывают водой с перемешиванием и с магнитной сепарацией между промывками. Затем порошок стекла обрабатывают в 0.5÷1.25 N растворе NaOH в течение 0.5÷1.25 ч при 20÷50°C, промывают в воде до рН ниже 8 с магнитной сепарацией между промывками. В результате получают высококремнеземный пористый материал, который имеет пористость 0.14÷0.75 см3/см3, средний радиус пор 17.5÷210 нм и может обладать коэрцитивной силой (Hc=16÷304 эрстед) за счет присутствия железосодержащих кристаллитов размером ≤(50÷100) нм. Такой материал применяется в биохимическом анализе для иммобилизации биологических компонентов.Closest to the claimed technical solution is a method for producing porous glasses with magnetic properties according to US patent No. 4233169. According to this method, the initial glass (basic compositions, wt.%: 3-15 Na 2 O and / or K 2 O; 10-25 Fe 2 O 3 ; 10-40 B 2 O 3 and 34-70% SiO 2 without / with the addition of 0-10 Al 2 O 3 , 0-10 CaO, 0-5 MnO, 0-5 CdO, 0-3 Li 2 O, 0-5 PbO, 0-5 MgO, 0-3 P 2 O 5 , 0-10 ZnO, 0-5 NiO, 0-5 CoO, 0-3 Cr 2 O 3 , 0-3 V 2 O 3 , 0-3 MoO 3 , 0-5 TiO 2 and 0-5 ZrO 2 ) are synthesized according to the method of cooking from a mixture in the air for 16 hours at 1400-1650 ° C, followed by annealing and one-stage heat treatment at 500 ° C for 69 hours, at 600 ° C for 60 hours or two-stage heat treatment at 700 ° C for 4 h and 600 ° C for 60 h for phase separation. The ground samples in the form of powders (the predominant fraction size is ≤2.4 microns) are treated in a 0.5-3.0 N HNO 3 solution for 1 ÷ 3 h at 95-100 ° C, washed several times with water with stirring and with magnetic separation between washes. Then the glass powder is treated in a 0.5 ÷ 1.25 N NaOH solution for 0.5 ÷ 1.25 hours at 20 ÷ 50 ° C, washed in water to a pH below 8 with magnetic separation between washes. There was thus obtained vysokokremnezemnyh porous material which has a porosity of 0.14 ÷ 0.75 cm 3 / cm 3, an average pore radius of 17.5 ÷ 210 nm, and may have a coercive force (Hc = 16 ÷ 304 Oe) due to the presence of iron crystallite size of ≤ (50 ÷ 100 ) nm. Such material is used in biochemical analysis to immobilize biological components.
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.This analogue is inherent in the set of features closest to the set of essential features of the invention, and therefore this known technical solution is selected as a prototype of the claimed invention.
Существенным недостатком прототипа, не позволяющим решить поставленную нами задачу, является то, что пористое стекло получается в виде порошка, что ограничивает возможности его практического использования, например, в средствах микроэлектроники. Этот недостаток, во-первых, обусловлен конкретной задачей, решаемой прототипом, заключающейся в создании порошкообразного материала для иммобилизации биологического материала, взвешенного в жидкости. Во-вторых, использованная в прототипе длительность тепловой обработки базового стекла при температурах 550÷600°C недостаточна для наведения двухкаркасной структуры, необходимой для получения выживающих пористых стекол в форме массивных изделий, а также для формирования требуемой магнитной фазы.A significant disadvantage of the prototype, which does not allow us to solve the problem posed by us, is that porous glass is obtained in the form of powder, which limits the possibility of its practical use, for example, in microelectronics. This disadvantage, firstly, is due to the specific problem solved by the prototype, which consists in creating a powdery material for immobilization of biological material suspended in a liquid. Secondly, the duration of heat treatment of the base glass used in the prototype at temperatures of 550 ÷ 600 ° C is insufficient to induce a two-frame structure necessary to obtain surviving porous glasses in the form of massive products, as well as to form the required magnetic phase.
Целью изобретения является обеспечение получения пористых стекол в форме массивных изделий (пластин, дисков) толщиной 0.1÷2 мм, содержащих магнитную фазу Fe3O4 с оптимальными размерами кристаллитов (5÷20) нм, при сохранении объема пор 0.2÷0.6 см3/см3 и среднего диаметра пор 5÷60 нм.The aim of the invention is to provide porous glasses in the form of bulk products (plates, disks) with a thickness of 0.1 ÷ 2 mm containing the magnetic phase Fe 3 O 4 with optimal crystallite sizes (5 ÷ 20) nm, while maintaining a pore volume of 0.2 ÷ 0.6 cm 3 / cm 3 and an average pore diameter of 5 ÷ 60 nm.
Сущность заявляемого изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результатаThe essence of the claimed invention as a technical solution is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result provided by the invention
Способ получения пористого высококремнеземного стекла с магнитными свойствами, обладающего объемом пор 0.2÷0.6 см3/см3 и средним диаметром пор 5÷60 нм, путем термообработки щелочноборосиликатного стекла, выдержки двухфазного стекла в 3М растворе минеральных кислот при температуре 50÷100°С, многостадийной промывки в дистиллированной воде и комбинированной сушки в воздушной атмосфере при температурах 20÷120°С, характеризующийся тем, что в состав базового щелочноборосиликатного стекла вводят Fe2O3 и FeO в количестве 20 мас.% в пересчете на Fe2O3 и проводят его термообработку при 550°C в течение 130-150 часов.A method of obtaining porous high-silica glass with magnetic properties, having a pore volume of 0.2 ÷ 0.6 cm 3 / cm 3 and an average pore diameter of 5 ÷ 60 nm, by heat treatment of alkali borosilicate glass, exposure of two-phase glass in a 3M solution of mineral acids at a temperature of 50 ÷ 100 ° C, multi-stage washing in distilled water and combined drying in air at temperatures of 20 ÷ 120 ° C, characterized in that Fe 2 O 3 and FeO are introduced into the base alkaline borosilicate glass in an amount of 20 wt.% in terms of Fe 2 O 3 and other they heat it at 550 ° C for 130-150 hours.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.This is the totality of essential features that provides a technical result in all cases to which the requested amount of legal protection applies.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:In addition, the claimed technical solution is characterized by the presence of a number of additional optional features, namely:
- в качестве минеральной кислоты используют HCl;- HCl is used as a mineral acid;
- в качестве минеральной кислоты используют HNO3;- HNO 3 is used as a mineral acid;
- после выдержки двухфазного стекла в 3 М растворе минеральных кислот осуществляют промежуточную дополнительную выдержку в 0.5 М растворе КОН при 20°C в течение 0.5-6 часов в зависимости от толщины образца.- after exposure of two-phase glass in a 3 M solution of mineral acids, intermediate additional exposure is carried out in a 0.5 M KOH solution at 20 ° C for 0.5-6 hours, depending on the thickness of the sample.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного способа, заключается в обеспечении возможности получения выживающих образцов с заданными размерами пор и формирования в них магнитных кластеров оптимальных размеров, для чего в заявленном способе включают два фактора: введение в состав стекла (Fe2O3+FeO) и увеличение длительности тепловой обработки стекла при 550°C в течение времени, необходимого для достижения фазового равновесия (≥130 ч).The technical result achieved by using the claimed method is to provide the possibility of obtaining surviving samples with given pore sizes and the formation of optimal magnetic clusters in them, for which two factors are included in the claimed method: introduction of glass (Fe 2 O 3 + FeO) and an increase in the duration of heat treatment of glass at 550 ° C for the time required to achieve phase equilibrium (≥130 h).
Сущность изобретения поясняется иллюстрирующими материалами, где на фиг.1 представлены дилатометрические кривые образцов двухфазного стекла, прошедших термообработку при 550°C в течение 70 (1) и 144 (2) часов, на фиг.2 - электронно-микроскопические фотографии образцов двухфазного стекла, прошедших термообработку при 550°C в течение 70 (а) и 144 (б) часов, на фиг.3 - рентгенограммы образцов двухфазного стекла, прошедших термообработку при 550°C в течение 70 (а) и 144 (б) часов, на фиг.4 - рентгенограммы образцов двухфазных щелочноборосиликатных стекол, прошедших термообработку при 550°C в течение 144 часов, с разным содержанием железа в пересчете на Fe2O3, мас.%: 15 - 1; 20 - 2; 25 - 3. Нумерация стекол соответствует нумерации в Таблице 1, на фиг.5 электронно-микроскопические фотографии образцов пористых стекол: МИП (а) и МАП (б), полученных из заготовок двухфазного стекла, прошедших термообработку при 550°C в течение 144 часов, на фиг.6 - распределение пор по размерам в образцах пористых стекол (L=0.5 мм): МИП (а) и МАП (б), полученных из заготовок двухфазного стекла, прошедших термообработку при 550°C в течение 144 часов, на фиг.7 - рентгенограммы пористых стекол МИП (1) и МАП (2) в сопоставлении с исходным двухфазным стеклом, прошедшим термообработку при 550°C в течение 144 часов (3). L=0.5 мм.The invention is illustrated by illustrative materials, where figure 1 shows dilatometric curves of samples of two-phase glass, heat-treated at 550 ° C for 70 (1) and 144 (2) hours, figure 2 - electron microscopic photographs of samples of two-phase glass, after heat treatment at 550 ° C for 70 (a) and 144 (b) hours, in Fig.3 - x-ray patterns of samples of two-phase glass, after heat treatment at 550 ° C for 70 (a) and 144 (b) hours, in Fig. .4 - radiographs of samples of biphasic alkali borosilicate glasses that have passed heat treatment at 550 ° C for 144 hours, with different iron contents in terms of Fe 2 O 3 , wt.%: 15 - 1; 20 - 2; 25 - 3. The numbering of the glasses corresponds to the numbering in Table 1, in Fig. 5 electron microscopic photographs of samples of porous glasses: MIP (a) and MAP (b) obtained from biphasic glass preforms that underwent heat treatment at 550 ° C for 144 hours , Fig.6 - the distribution of pore sizes in samples of porous glasses (L = 0.5 mm): MIP (a) and MAP (b) obtained from biphasic glass preforms that underwent heat treatment at 550 ° C for 144 hours, Fig. .7 - X-ray diffraction patterns of porous MIP (1) and MAP (2) glasses in comparison with the initial two-phase glass that passed t Heat treatment at 550 ° C for 144 hours (3). L = 0.5 mm.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
Исходное железосодержащее щелочноборосиликатное стекло состава (по синтезу, мол. %): 5 Na2O, 15 В2О3, 60 SiO2, 20 Fe2O3 синтезируют методом варки из шихты в электрической силитовой печи на воздухе при температурах 1540-1560°C в платиновом тигле с периодическим механическим перемешиванием расплава платиновой мешалкой со скоростью 50-60 об/мин. Общее время варки составляет 10 часов; общее время перемешивания расплава - 5 часов.The initial iron-containing alkali-borosilicate glass composition (by synthesis, mol.%): 5 Na 2 O, 15 V 2 O 3 , 60 SiO 2 , 20 Fe 2 O 3 are synthesized by cooking from a charge in an electric silica furnace in air at temperatures of 1540-1560 ° C in a platinum crucible with periodic mechanical mixing of the melt with a platinum stirrer at a speed of 50-60 rpm The total cooking time is 10 hours; the total melt mixing time is 5 hours.
Исходными реагентами для приготовления шихты являются:The initial reagents for the preparation of the mixture are:
Кислота кремневая безводная (либо кварцевый песок) - х.ч.;Anhydrous silicic acid (or quartz sand) - chemical grade;
Кислота борная - х.ч.;Boric acid - chemical grade;
Натрий углекислый - х.ч.;Sodium carbonate - chemical grade;
Оксид железа III - х.ч.Iron oxide III - chemically pure
По окончании варки производится отливка расплава на металлическую плиту, подогретую до 60-80°C. После отливки стекло отжигают: после кратковременной изотермической выдержки (10-15 мин) в электрическом муфеле на воздухе при 600°C стекло охлаждают до комнатной температуры со скоростью 3 град./мин.At the end of cooking, the melt is cast onto a metal plate heated to 60-80 ° C. After casting, the glass is annealed: after a short isothermal exposure (10-15 minutes) in an electric muffle in air at 600 ° C, the glass is cooled to room temperature at a rate of 3 deg./min.
Затем проводят специальную тепловую обработку отожженного стекла - изотермическую выдержку при температуре 550°C в течение 130-150 часов с целью получения двухфазного стекла со взаимопроникающими фазами, одна из которых является химически нестойкой. Контроль за параметрами структуры фаз в термообработанном стекле осуществляется с помощью просвечивающей электронной микроскопии на приборе ЭМ-125.Then, special heat treatment of the annealed glass is carried out - isothermal exposure at a temperature of 550 ° C for 130-150 hours in order to obtain two-phase glass with interpenetrating phases, one of which is chemically unstable. The phase structure parameters in heat-treated glass are monitored using transmission electron microscopy using an EM-125 instrument.
В заявленном способе время тепловой обработки стекла (130-150 часов) превышает время тепловой обработки (~70 часов), использованное при данной температуре в наиболее близком к заявляемому техническому решению способе получения пористых стекол с магнитными свойствами по патенту США №4233169. Увеличение времени тепловой обработки стекла до 130-150 часов обеспечивает достижение фазового равновесия (Фиг.1), а также образование кристаллической фазы магнетита в существенно большем количестве, чем при обработке в течение 70 ч, и формирование оптимальной по размеру наноструктуры включений магнетита (~8 нм), что подтверждается данными, полученными с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (Фиг.2) и рентгенофазового анализа (РФА) (Фиг.3). Такой режим тепловой обработки дает возможность впоследствии при химическом травлении двухфазного стекла получать выживающие образцы пористых стекол в форме пластин, в отличие от порошков, полученных в патенте США №4233169.In the claimed method, the time of heat treatment of glass (130-150 hours) exceeds the time of heat treatment (~ 70 hours) used at this temperature in the closest to the claimed technical solution method for producing porous glasses with magnetic properties according to US patent No. 4233169. The increase in the time of heat treatment of glass to 130-150 hours ensures the achievement of phase equilibrium (Figure 1), as well as the formation of the crystalline phase of magnetite in a significantly larger amount than during processing for 70 hours, and the formation of an optimal size nanostructure of magnetite inclusions (~ 8 nm), which is confirmed by the data obtained using methods of transmission electron microscopy (TEM) (Figure 2) and x-ray phase analysis (XRD) (Figure 3). This heat treatment mode makes it possible subsequently to obtain surviving samples of porous glasses in the form of plates during chemical etching of two-phase glass, in contrast to the powders obtained in US Pat. No. 4,233,169.
Из Фиг.1 видно, что 70-часовой термообработки недостаточно для достижения равновесного фазового разделения. Дилатометрические данные показывают, что термообработка в течение 70 часов приводит к частичному фазовому разделению, но при увеличении времени выдержки идет дальнейший ликвационный процесс. Об этом свидетельствует тот факт, что температура стеклования легкоплавкой фазы Tg увеличивается от Tg=465°C при 70-часовой термообработке до Tg=495°C при увеличении времени термообработки до 144 часов.Figure 1 shows that 70-hour heat treatment is not enough to achieve equilibrium phase separation. Dilatometric data show that heat treatment for 70 hours leads to a partial phase separation, but with an increase in the exposure time, a further segregation process proceeds. This is evidenced by the fact that the glass transition temperature of the low-melting phase T g increases from T g = 465 ° C during a 70-hour heat treatment to T g = 495 ° C with an increase in the heat treatment time to 144 hours.
В последнем случае на дилатометрической кривой при 590°C наблюдается вторая температура стеклования тугоплавкой фазы, что является доказательством образования в стекле двух взаимопроникающих структур, что подтверждается данными ПЭМ (Фиг.2).In the latter case, on the dilatometric curve at 590 ° C, the second glass transition temperature of the refractory phase is observed, which is evidence of the formation of two interpenetrating structures in the glass, which is confirmed by TEM data (Figure 2).
Из Фиг.2 видно, что увеличение длительности тепловой обработки стекла способствует формированию в термообработанном стекле явно выраженной двухкаркасной структуры, образованной взаимопроникающими кремнеземной и химически нестойкой щелочноборатной фазами с равномерным распределением однородных по размеру включений железосодержащей фазы, общий объем которых больше, чем при менее длительной термообработке стекла.Figure 2 shows that an increase in the duration of heat treatment of glass contributes to the formation of a pronounced two-frame structure in heat-treated glass formed by interpenetrating silica and chemically unstable alkaline borate phases with a uniform distribution of uniformly sized inclusions of the iron-containing phase, the total volume of which is greater than with less prolonged heat treatment glass.
Это подтверждается данными РФА (Фиг.3), согласно которым в образцах стекла, подвергнутого тепловой обработке в течение более длительного времени, формируются частицы магнетита меньшего размера (D=8 нм). При этом величина S, равная произведению полуширины главного пика на его высоту, пропорциональная содержанию магнетита, увеличивается при увеличении длительности тепловой обработки стекла примерно в 1.5 раза.This is confirmed by the XRD data (Figure 3), according to which smaller samples of magnetite are formed in samples of glass subjected to heat treatment for a longer time (D = 8 nm). In this case, the value of S, equal to the product of the half-width of the main peak and its height, proportional to the magnetite content, increases with an increase in the duration of heat treatment of glass by about 1.5 times.
Содержание железа (20 мас.% в пересчете на Fe2O3) в базовом стекле, содержащем 50-60 мас.% SiO2, является оптимальным с точки зрения формирования в нем фазы магнетита при тепловой обработке при 550°C в течение 130-150 часов. Это заключение иллюстрирует Фиг.4, на которой представлено сравнение рентгенограмм нескольких двухфазных железосодержащих стекол, составы которых приведены в Таблице 1. Результаты оценки размера частиц Fe3O4 по данным РФА также приведены в Таблице 1.The iron content (20 wt.% In terms of Fe 2 O 3 ) in the base glass containing 50-60 wt.% SiO 2 is optimal from the point of view of the formation of the magnetite phase in it during heat treatment at 550 ° C for 130- 150 hours. This conclusion is illustrated by Figure 4, which presents a comparison of x-ray diffraction patterns of several biphasic iron-containing glasses, the compositions of which are shown in Table 1. The results of particle size estimation of Fe 3 O 4 according to XRD are also shown in Table 1.
Из Фиг.4 и Таблицы 1 видно, что в стекле заявленного состава с 20 мас.% Fe2O3 (Стекло 2) формируется оптимальная по размеру частиц и объему фаза магнетита сравнению со стеклами с меньшим (15 мас.%) и большим (25 мас.%) содержанием Fe2O3. В стекле с 15 мас.% Fe2O3 (Стекло 1) содержание фазы магнетита меньше, чем в Стекле 2, о чем свидетельствует меньшая ширина главного пика (при угле 2θ=35 град.) при близкой по величине интенсивности рассеяния, а размеры частиц существенно больше. В стекле с 25 мас.% Fe2O3 (Стекло 3) содержание фазы магнетита больше, о чем свидетельствует большая интенсивность главного пика при угле 2θ=35 град. (Фиг.4), и размер частиц Fe3O4 существенно больше. Это сопровождается объемной кристаллизацией двухфазного стекла и приводит к его разрушению в ходе дальнейшего химического травления, что не позволяет получить пористое стекло в форме массивного образца (пластины).From Figure 4 and Table 1 it can be seen that in a glass of the claimed composition with 20 wt.% Fe 2 O 3 (Glass 2) an optimum magnetite phase is formed in terms of particle size and volume compared to glasses with a smaller (15 wt.%) And large ( 25 wt.%) Content of Fe 2 O 3 . In a glass with 15 wt.% Fe 2 O 3 (Glass 1), the magnetite phase content is lower than in
После специальной тепловой обработки стекла проводят резку блоков двухфазного стекла на электрической пиле с алмазным кругом на заготовки (в форме плоскопараллельных пластин) заданного размера, их шлифовку и полировку.After special heat treatment of glass, two-phase glass blocks are cut on an electric saw with a diamond wheel into blanks (in the form of plane-parallel plates) of a given size, their grinding and polishing.
Затем полированные заготовки двухфазных стекол подвергают химической обработке для получения пористых стекол с разными параметрами структуры пор (так называемых микропористых (МИП) и макропористых (МАП) стекол) в соответствии с процедурой, которая заключается в последовательном сквозном травлении стекла сначала в водном 0.5-4 М растворе минеральной кислоты (HCl, HNO3) при кипячении (МИП стекла) и затем в водном 0.1-0.5 растворе KOH при комнатной температуре (МАП стекла).Then, polished billets of two-phase glasses are chemically processed to obtain porous glasses with different pore structure parameters (the so-called microporous (MIP) and macroporous (MAP) glasses) in accordance with the procedure, which consists in sequential through etching of the glass first in aqueous 0.5-4 M a solution of mineral acid (HCl, HNO 3 ) at boiling (MIP glass) and then in an aqueous 0.1-0.5 KOH solution at room temperature (MAP glass).
Для химического травления двухфазных щелочноборосиликатных стекол используются химические реактивы:Chemical etching is used for chemical etching of two-phase alkaline borosilicate glasses:
Кислота соляная - ч.д.а.;Hydrochloric acid - analytical grade;
Кислота азотная - ч.д.а.;Nitric acid - analytical grade;
Вода дистиллированная (бидистиллированная);Distilled water (bidistilled);
Калия гидроокись - ч.д.а.Potassium hydroxide - analytical grade
Соотношение площади поверхности S0 образцов к объему травящего раствора V должно быть не меньше S0/V=0,02 см-1. Длительность химической обработки стекла в указанных травящих растворах базируется на данных по кинетике химического травления стекла в кислотно-солевых и щелочных растворах, которая контролируется с помощью оптического микроскопа МИН-8, и определяется толщиной пластины (L).The ratio of the surface area S 0 of the samples to the volume of the etching solution V should be not less than S 0 / V = 0.02 cm -1 . The duration of the chemical treatment of glass in these etching solutions is based on the kinetics of the chemical etching of glass in acid-salt and alkaline solutions, which is controlled using an MIN-8 optical microscope and is determined by the thickness of the plate (L).
Например, при L=0.5-2 мм время обработки двухфазного стекла в водном 3 М растворе минеральной кислоты при кипячении для получения МИП стекла составляет 2-8 часов, время дополнительной обработки МИП стекла в 0.5 М растворе КОН при 20°C для получения МАП стекла составляет 1-6 часов.For example, at L = 0.5-2 mm, the processing time of biphasic glass in an aqueous 3 M solution of mineral acid during boiling to obtain MIP glass is 2-8 hours, the time of additional processing of MIP glass in 0.5 M KOH solution at 20 ° C to obtain MAP glass is 1-6 hours.
При химическом травлении двухфазного стекла компоненты химически нестойкой фазы удаляются из ликвационных каналов либо частично (одностадийное травление), либо практически полностью (двухстадийное травление). В результате получают пластины пористых стекол.During chemical etching of two-phase glass, the components of a chemically unstable phase are removed from the segregation channels either partially (one-stage etching) or almost completely (two-stage etching). The result is a plate of porous glasses.
Например, при толщине образца L=0.5 мм синтезированные пористые стекла (Фиг.5) имеют состав (по анализу, мас.%): 0.2-1.0 Na2O, 0-0.5 K2O, 2.0-6.0 B2O3, 85.0-97.0 SiO2, 3.0-15.0 Fe2O3 и обладают пористой структурой со следующими параметрами (Фиг.6): у МИП стекла средний диаметр D=5 нм и пористость W~30%; у МАП стекла бимодальная структура пор (средний диаметр пор D1~5 нм и D2~50-60 нм) и пористость W~60%.For example, when the sample thickness L = 0.5 mm, the synthesized porous glasses (Fig. 5) have the composition (according to analysis, wt.%): 0.2-1.0 Na 2 O, 0-0.5 K 2 O, 2.0-6.0 B 2 O 3 , 85.0-97.0 SiO 2 , 3.0-15.0 Fe 2 O 3 and have a porous structure with the following parameters (Figure 6): for MIP glass, the average diameter is D = 5 nm and the porosity is W ~ 30%; MAP glass has a bimodal pore structure (average pore diameter D 1 ~ 5 nm and D 2 ~ 50-60 nm) and porosity W ~ 60%.
Наноразмерная кристаллическая фаза магнетита, которая присутствует в исходном двухфазном стекле, сохраняется после его сквозного химического травления в образцах пористых стекол (Фиг.7).The nanoscale crystalline phase of magnetite, which is present in the initial two-phase glass, is preserved after its through chemical etching in samples of porous glasses (Fig. 7).
После химической обработки полученные пористые стекла промывают в дистиллированной воде при соотношении объема стекла к объему воды 1:200 при комнатной температуре в течение 3-5 суток с ежесуточной сменой воды. После промывки образцы пористых стекол сушат на фильтре на воздухе при комнатной температуре в течение 1 суток и затем в сушильном шкафу при температуре 120°C в течение 1 часа. Высушенные образцы хранят в бюксах в эксикаторы с осушителем (например, CaCl2).After chemical treatment, the obtained porous glasses are washed in distilled water with a ratio of glass to water volume of 1: 200 at room temperature for 3-5 days with a daily change of water. After washing, the samples of porous glasses are dried on a filter in air at room temperature for 1 day and then in an oven at a temperature of 120 ° C for 1 hour. The dried samples are stored in bottles in desiccators with a desiccant (for example, CaCl 2 ).
Таким образом, заявленный способ позволяет получить пористые высококремнеземные стекла с размерами пор (5÷60) нм в форме массивных изделий (пластин, дисков), содержащие кристаллиты магнетита размером (5÷20) нм и обладающие вследствие этого магнитными свойствами: значения индукции коэрцитивного магнитного поля образцов составляют ~80÷100 мТ, при этом наблюдается аномалия магнитного отклика при температуре ~120 K, соответствующей переходу Вервея в массивном Fe3O4.Thus, the claimed method allows to obtain porous high-silica glasses with pore sizes (5 ÷ 60) nm in the form of massive articles (plates, disks) containing magnetite crystallites of size (5 ÷ 20) nm and therefore possessing magnetic properties: values of magnetic coercive induction the fields of the samples are ~ 80–100 mT, and an anomaly of the magnetic response is observed at a temperature of ~ 120 K, corresponding to the Verwey transition in bulk Fe 3 O 4 .
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154214/03A RU2540754C1 (en) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154214/03A RU2540754C1 (en) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2540754C1 true RU2540754C1 (en) | 2015-02-10 |
Family
ID=53286961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154214/03A RU2540754C1 (en) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2540754C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720259C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing porous glass with magnetic properties |
RU2721609C1 (en) * | 2019-10-22 | 2020-05-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing multiferroics by impregnation based on a ferromagnetic glass matrix |
RU2756552C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method for production of bioactive membrane of osmotic-active filter for water treatment |
CN113860748A (en) * | 2021-11-05 | 2021-12-31 | 齐鲁工业大学 | Ferrimagnetic foam glass-ceramic and preparation method thereof |
RU2791915C1 (en) * | 2022-06-27 | 2023-03-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method for producing magnetite-containing porous glass |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU194785A1 (en) * | А. Ф. Зак, Д. П. Добычин, Ю. П. Манько , А. И. Хомутов | METHOD FOR OBTAINING SILICON POROUS FIBERS | ||
US4233169A (en) * | 1979-04-13 | 1980-11-11 | Corning Glass Works | Porous magnetic glass structure |
US6444162B1 (en) * | 2000-11-27 | 2002-09-03 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Open-cell glass crystalline porous material |
-
2013
- 2013-12-05 RU RU2013154214/03A patent/RU2540754C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU194785A1 (en) * | А. Ф. Зак, Д. П. Добычин, Ю. П. Манько , А. И. Хомутов | METHOD FOR OBTAINING SILICON POROUS FIBERS | ||
SU152291A1 (en) * | Т. М. Буркат, Д. П. Добычин , Н. Н. Киселева | METHOD OF OBTAINING POROUS GLASS-MOLECULAR SITES | ||
US4233169A (en) * | 1979-04-13 | 1980-11-11 | Corning Glass Works | Porous magnetic glass structure |
US6444162B1 (en) * | 2000-11-27 | 2002-09-03 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Open-cell glass crystalline porous material |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720259C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing porous glass with magnetic properties |
RU2721609C1 (en) * | 2019-10-22 | 2020-05-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing multiferroics by impregnation based on a ferromagnetic glass matrix |
RU2756552C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method for production of bioactive membrane of osmotic-active filter for water treatment |
CN113860748A (en) * | 2021-11-05 | 2021-12-31 | 齐鲁工业大学 | Ferrimagnetic foam glass-ceramic and preparation method thereof |
RU2791915C1 (en) * | 2022-06-27 | 2023-03-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method for producing magnetite-containing porous glass |
RU2810343C1 (en) * | 2023-03-23 | 2023-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | METHOD FOR PRODUCING GLASSY MAGNETIC COMPOSITE MATERIALS (GMCM) WITH TWO MAGNETIC SUBSYSTEMS (Fe3O4/MnxOy) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4233169A (en) | Porous magnetic glass structure | |
US4395271A (en) | Method for making porous magnetic glass and crystal-containing structures | |
RU2540754C1 (en) | Method of producing high-silica porous glass with magnetic properties | |
JP2011251872A (en) | Production method of porous glass | |
CN104496186A (en) | Cordierite-based nanometer glass-ceramic and preparation method thereof | |
McMillan | The crystallisation of glasses | |
Gaddam et al. | Role of manganese on the structure, crystallization and sintering of non-stoichiometric lithium disilicate glasses | |
Garai et al. | Microstructure–mechanical properties of Ag 0/Au 0 doped K–Mg–Al–Si–O–F glass-ceramics | |
TW201402826A (en) | Coating material on top of spheroidizer during graphite spheroidization of cast iron | |
RU2594183C1 (en) | Method of producing composite multiferroic based on ferromagnetic porous glass | |
EP2606011A1 (en) | Method for producing porous glass | |
JPH04219310A (en) | Production of non-sintered cristobalite particle | |
WO2013133357A1 (en) | Spherical particle manufacturing method | |
Yuan et al. | Effects of Li substitution on the microstructure and thermal expansion behavior of pollucite derived from geopolymer | |
RU2791915C1 (en) | Method for producing magnetite-containing porous glass | |
CN113831021A (en) | Microcrystalline glass, preparation method thereof, glass protective layer, glass cover plate and electronic device | |
Wence et al. | Effect of magnetic-field heat treatment on directional growth of magnetite in glass ceramics | |
JP2012193067A (en) | Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same | |
JP2733860B2 (en) | Manufacturing method of wear-resistant silica media | |
Alizadeh et al. | Study of bulk crystallization in MgO-CaO-SiO 2-Na 2 O glasses in the presence of CaF 2 and MoO 3 nucleant | |
Mohsin | Thermal evolution of binary aqueous alkali silicates: properties of solutions, xerogels and coatings | |
CN115745399B (en) | Phase-separated glass, preparation method thereof, reinforced glass, glass cover plate and electronic equipment | |
RU2720259C1 (en) | Method of producing porous glass with magnetic properties | |
WO2024174993A1 (en) | Transparent microcrystalline glass and chemically strengthened microcrystalline glass | |
Katsumata et al. | Preparation of phase-separated textures and crystalline phases from two-liquid immiscible melts in the TiO2–SiO2 system |