Способ синтеза компонентов стеклообразующей шихты на основе натриевосиликатной системы

Изобретение относится к способам получения химически синтезированных шихт для производства стекла. Технический результат изобретения заключается в упрощении синтеза компонентов шихты и обеспечении условий получения химически однородных многокомпонентных стеклообразующих композиций. Исходные функциональные составляющие с использованием дополнительных компонентов переводят в промежуточные водорастворимые химические соединения. Промежуточные водорастворимые химические соединения смешивают в количестве не более 10 мг/л с основой - водным раствором силиката натрия, в котором соотношение оксидов кремния и натрия составляет Полученные растворы сушат в условиях окружающей среды до состояния ксерогелей. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области способов получения химически синтезированных шихт для производства стекла и изделий из него, конкретно к способам получения составов шихт, и может быть использовано для получения ее компонентов для получения стекол с заданными специальными свойствами.

Известен способ изготовления стеклянных микросфер с регулируемыми свойствами из синтетических шихт (патент РФ №2001110896, МПК С03В 8/02, публ. 27.03.2003 г., БИ №9/03), согласно которому проводят выбор основы и функциональных составляющих синтетических шихт, используя для расчета состава компонентов систему модельных уравнений.

Однако в известном изобретении не предложены средства для достижения заданных специальных свойств стекол и готовых стеклоизделий.

Известен в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому способу способ получения химически синтезированных шихт со специальными функциональным составляющим для изготовления стекол, включающий выбор основы и функциональных составляющих с использованием математической модели количественного определения их соотношений (патент РФ №2235693, МПК С03В 19/10, публ. 08.10.2001 г., БИ №28/01).

К недостаткам прототипа относится отсутствие средств для обеспечения совместимости функциональных составляющих с водорастворимой основной стеклообразующей системой, улучшения качества за счет обеспечения однородности составов и изотропности свойств по объему стекол и готовых стеклоизделий.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа синтеза в водной среде компонентов шихт на основе стеклообразующей натриевосиликатной системы с функциональными составляющими для изготовления однородных по составу стекол с заданными свойствами (окраской, прозрачностью, фоточувствительностью, фотохромностью, бактерицидностью, способностью сорбировать водород и поглощать нейтроны, низкой температурой плавления, улучшенными химической стойкостью и механической прочностью).

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в упрощении синтеза компонентов шихт и обеспечении условий получения химически однородных многокомпонентных стеклообразующих композиций.

Дополнительные технические результаты заключаются в обеспечении совместимости водных растворов различных функциональных реагентов с водорастворимой основой.

Указанная задача и новые технические результаты обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа синтеза компонентов стеклообразующей шихты на основе натриевосиликатной системы со специальными функциональными составляющими для изготовления однородных по составу стекол с улучшенными свойствами, включающего выбор основы и функциональных составляющих, в предлагаемом изобретении предварительно получают промежуточные водорастворимые химические соединения, совместимые с водным раствором основы, не вызывающие фазового разделения итоговых растворов, для чего исходные функциональные составляющие с использованием дополнительных компонентов переводят в промежуточные водорастворимые химические соединения, смешивают в количестве не более 10 мг/л с водным раствором силиката натрия, в котором соотношение оксидов кремния и натрия составляет и итоговые растворы сушат в условиях окружающей среды до состояния ксерогелей.

Кроме того, для обеспечения совместимости растворов основы и редкоземельных элементов, посредством которых достигаются повышенные вязкость, оптические свойства и химическая стойкость стекол, способность окрашиваться и поглощать нейтронное излучение, предварительно получают водные суспензии оксидов редкоземельных элементов в качестве функциональных составляющих - Nd₂O₃, Sm₂O₃, Ho₂O₃, Tb₂O₃, Ho₂O₃, которые при нагревании растворяют с использованием кислотного реагента, затем добавляют органический комплексон алюминон для получения комплексных соединений и смешивают с водным раствором основы - силикатом натрия.

Кроме того, для обеспечения совместимости растворов основы и магния, посредством которого достигается снижение температуры плавления, повышение коэффициента термического расширения и химической стойкости стекол, предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента магния в виде его гидроксида Mg(OH)₂, который при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, а затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Кроме того, для обеспечения совместимости растворов основы и кальция, посредством которого достигаются повышенные химическая стойкость, механические и оптические свойства стекол, усиливается склонность к кристаллизации и применяющегося в технологии биоимплантатов, предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента - кальция в виде углекислой соли CaCO₃, которую при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Кроме того, для обеспечения совместимости растворов основы и серебра, посредством которого достигаются фоточувствительность, фотохромность, бактерицидность и способность стекол акцептировать водород, предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента - серебра в виде его оксида Ag₂O, который растворяют при использовании органической кислоты и затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Кроме того, для обеспечения совместимости растворов основы и алюминия, посредством которого достигаются высокие химическая стойкость и механические свойства стекол, предварительно получают водный раствор функционального составляющего элемента - алюминия в виде его соединения - трихлорида AlC₃, затем добавляют органический комплексон алюминон и водный раствор аммиака, после чего промежуточный раствор смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.

При исследовании процессов синтеза гомогенных шихт для получения стекол со специальными свойствами, основанных на подборе составов композиций и химических форм соответствующих компонентов, были установлены условия их получения, включая условия введения с помощью дополнительных реагентов специальных функциональных составляющих, наличие которых обеспечивает заданные свойства.

Многие из функциональных составляющих представляют собой ограниченно растворимые в воде соединения (например, оксиды, гидроксиды и карбонаты металлов), или образуют нерастворимые соединения при непосредственном взаимодействии с основой, что является причиной фазового разделения итоговых растворов.

Новым в предлагаемом способе является подбор оптимальных химических форм функциональных составляющих, которые в исходном состоянии не могут быть непосредственно введены в раствор основы стеклообразующей композиции - водный раствор силиката натрия.

Далее в зависимости от диапазона требуемых специальных свойств готового стекла проводят целевой синтез шихтовых компонентов путем введения в основу функциональных реагентов с получением стеклообразующей композиции необходимого состава.

Экспериментально были подобраны условия синтеза в водной среде промежуточных химических соединений, совместимых с водным раствором основы стеклообразующей композиции, что является строго индивидуальным при применении в качестве исходных компонентов оксидов, гидроксида и солей.

Для обеспечения совместимости растворов основы и редкоземельных элементов, посредством которых достигается повышенные вязкость, оптические свойства и химическая стойкость стекол, способность окрашиваться и поглощать нейтронное излучение, предварительно получают водные суспензии оксидов редкоземельных элементов в качестве функциональных составляющих - Nd₂O₃, Sm₂O₃, Ho₂O₃, Tb₂O₃, Ho₂O₃, которые при нагревании растворяют с использованием кислотного реагента, затем добавляют органический комплексон алюминон для получения комплексных соединений и смешивают с водным раствором основы - силикатом натрия.

Для обеспечения совместимости растворов основы и магния, посредством которого достигается снижение температуры плавления, повышение коэффициента термического расширения и химической стойкости стекол, предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента магния в виде его гидроксида Mg(OH)₂, который при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, а затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Для обеспечения совместимости растворов основы и кальция, посредством которого достигаются повышенные химическая стойкость, механические свойства и оптические свойства стекол, усиливается склонность к кристаллизации и применяющегося в технологии биоимплантатов, функционального составляющего элемента - кальция в виде углекислой соли CaCO₃, которую при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Для обеспечения совместимости растворов основы и серебра, посредством которого достигаются фоточувствительность, фотохромность, бактерицидность стекол и способность акцептировать водород, предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента - серебра в виде его оксида Ag₂O, который растворяют при использовании органической кислоты и затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Для обеспечения совместимости растворов основы и алюминия, посредством которого достигаются высокие химическая стойкость и механические свойства стекол, предварительно получают раствор функционального составляющего элемента - алюминия в виде его соединения - трихлорида AlCl₃, затем добавляют органический комплексон алюминон и водный раствор аммиака, после чего промежуточный раствор смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

Таким образом, при использовании всех предлагаемых в способе реагентов и проведении химических взаимодействий обеспечивается возможность синтеза шихтовых компонентов для получения стекол с заранее заданными свойствами путем обеспечения условий получения промежуточных химических форм для введения соответствующих реагентов в основной натриевосиликатный раствор и достижения более высоких специфических показателей в готовых стеклоизделиях, чем в прототипе.

Возможность реализации предлагаемого способа подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1. Вначале синтезируют силикат натрия - основу стеклообразующей композиции. Раствор силиката натрия получают путем добавления при нагревании и перемешивании к предварительно полученной суспензии кремниевой кислоты SiO₂·nH₂O в воде водного раствора гидроксида натрия NaOH при силикатном модуле, определяемом как соотношение концентраций С компонентов в пересчете на оксиды SiO₂ и Na₂O, до полного растворения твердой фазы.

Затем готовят растворы дополнительных реагентов. В воде растворяют органическую кислоту - лимонную (2-окси-1,2,3-пропантрикарбоновую, НОС(СН₂СООН)₂СООН - H₈C₆O₇). Отдельно растворяют алюминон (триаммонийную соль ауринтрикарбоновой кислоты, [С₆Н₃(ОН)(COONH₄)]₂С[С₆Н₃О(COONH₄)] - H₂₂C₂₂N₃O₉). Также отдельно готовят раствор неорганической кислоты путем пятикратного разбавления водой концентрированной хлористо-водородной (соляной кислоты, HCl). Применяют водный 10%-ый раствор аммиака (NH₄OH) заводского изготовления. После этого получают каждый в отдельности растворы указанных функциональных составляющих.

Пример 2. В условиях примера 1 используют оксид редкоземельного элемента неодима Nd₂O₃, представляющий собой мелкодисперсный порошок, плохо смачивающийся водой. Вначале при перемешивании добавляют воду и получают суспензию слабого сине-фиолетового цвета; после этого при перемешивании по каплям добавляют десятикратно разбавленный раствор соляной кислоты до растворения суспензии и исчезновения окраски.

Затем добавляют одну-две капли водного раствора алюминона; при перемешивании раствор окрашивается в слабый оранжево-красный цвет.

Полученный раствор при перемешивании дозатором вносят в раствор силиката натрия и оставляют для старения - образования геля: вначале раствор остается бесцветным, затем появляется слабая розовая окраска, которая постепенно усиливается. Постепенно образуется опалесцирующий гель, окрашенный в тот же розовый цвет. При использовании концентрированных растворов происходит быстрая смена агрегатного состояния и цвета в следующей последовательности: раствор слабо-оранжевого цвета - лиловый цвет.

Пример 3. В условиях примера 1 используют оксиды редкоземельных элементов, представляющих собой мелкодисперсные порошки, самария Sm₂O₃ -светло-желтого цвета, тербия Tb₂O₃ - светло-розового цвета, гольмия Ho₂O₃ - желтого цвета. Вначале к каждому из оксидов в отдельности при перемешивании добавляют воду и получают суспензии, окрашенные в соответствующие цвета. Затем при перемешивании в суспензии добавляют водный раствор лимонной кислоты до получения прозрачных окрашенных растворов. К каждому цитратному раствору добавляют по одной-две капли раствора алюминона, при этом растворы окрашиваются в интенсивный оранжево-красный цвет. Полученные растворы дозатором вносят в раствор силиката натрия (не менее 10 мг/л). Итоговые растворы приобретают малиновую окраску и постепенно переходят в опалесцирующие гели.

Пример 4. В условиях примера 1 используют гидроксид магния Mg(OH)₂, мелкодисперсный порошок белого цвета, который смешивают с водой, получая при этом суспензию. Продолжая перемешивание, к суспензии при нагревании дозатором добавляют раствор лимонной кислоты, в результате получается прозрачный бесцветный раствор. Раствор цитрата магния при перемешивании также дозатором (не менее 10 мг/л) вносят в среду силиката натрия. Полученный в итоге раствор остается прозрачным в течение 15-20 мин, затем постепенно усиливается опалесценция, что является признаком гелеобразования. Образование геля завершается в течение 1-2 ч.

Пример 5. В условиях примера 1 в качестве источника кальция используют легко доступный углекислый кальций CaCO₃ - мелкодисперсный порошок белого цвета, в воде образующий суспензию. К суспензии при перемешивании дозатором добавляют раствор лимонной кислоты; в результате получают бесцветный раствор, из которого при нагревании удаляют растворенный газ. Цитратный раствор кальция дозатором и при перемешивании добавляют к силикатному раствору. В итоге получают прозрачный бесцветный раствор, устойчивый в течение 15-20 мин. Через 1-2 ч раствор переходит в фазу опалесцирующего геля.

Пример 6. В условиях примера 1 применяют оксид серебра Ag₂O, представляющий собой мелкодисперсное вещество черного цвета, не растворяющееся в воде, поэтому вначале при перемешивании получают его водную суспензию. При перемешивании к суспензии дозатором добавляют водный раствор лимонной кислоты; при этом частицы оксида растворяются, получается прозрачный бесцветный раствор. Цитратный раствор серебра при перемешивании дозатором осторожно добавляют к раствору силиката натрия, итоговый раствор окрашивается в желтый цвет. Спустя сутки цвет становится коричневым, но прозрачность сохраняется. В последующие несколько дней цвет усиливается до темно коричневого, и по мере испарения растворителя (воды) появляется опалесценция - признак гелеобразования. Сушка завершается через 9 недель после синтеза, в итоге образуется твердый ксерогель.

Пример 7. В условиях примера 1 применяют хлорид алюминия AlCl₃ - мелкодисперсное кристаллическое вещество, которое растворяют в воде. Затем при перемешивании добавляют несколько капель раствора алюминона, и раствор трихлорида алюминия приобретает характерный малиново-красный цвет, при этом в растворе можно обнаружить свободные ионы хлора. Чтобы не нарушить устойчивость силикатного раствора, ионы хлора нейтрализуют 10-процентным раствором аммиака NH₄OH. Раствор, содержащий алюминий, при перемешивании дозатором вносят в раствор силиката натрия. Постепенно итоговый раствор окрашивается в слабый розовый цвет, который постепенно усиливается, но прозрачность раствора сохраняется. В конечном итоге образуется опалесцирующий гель.

Экспериментально показано, что для синтеза компонентов стеклообразующих шихт на основе силиката натрия с силикатным модулем, не превышающим 3,4 (соотношение концентрации основных компонентов , для последующего изготовления стекол со специальными свойствами необходимо предварительно получать промежуточные водорастворимые химические соединения, что позволит решить проблему совместимости компонентов с натриевосиликатной основой. Результаты экспериментов сведены в таблицу.

Как это показали экспериментальные исследования, при использовании предлагаемого способа обеспечивается упрощение синтеза компонентов шихт и создаются условия получения химически однородных многокомпонентных стеклообразующих композиций.

1. Способ синтеза компонентов стеклообразующей шихты на основе натриевосиликатной системы со специальными функциональными составляющими для изготовления стекол с заданными свойствами, включающий выбор основы, функциональных составляющих и дополнительных компонентов, отличающийся тем, что предварительно получают промежуточные водорастворимые химические соединения, совместимые с водным раствором основы, не вызывающие фазового разделения итоговых растворов, для чего исходные функциональные составляющие с использованием дополнительных компонентов переводят в промежуточные водорастворимые химические соединения, смешивают в количестве не более 10 мг/л с водным раствором силиката натрия, в котором соотношение оксидов кремния и натрия составляет и итоговые растворы сушат в условиях окружающей среды до состояния ксерогелей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно получают водные суспензии оксидов редкоземельных элементов в качестве функциональных составляющих - Nd₂O₃, Sm₂O₃, Тb₂О₃, Но₂O₃, которые при нагревании растворяют с использованием кислотного реагента, затем добавляют органический комплексон алюминон для получения комплексных соединений и смешивают с водным раствором основы - силикатом натрия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента магния в виде его гидроксида Mg(OH)₂, который при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, а затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента - кальция в виде углекислой соли СаСО₃, которую при нагревании и использовании органической кислоты растворяют, затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно получают водную суспензию функционального составляющего элемента - серебра в виде его оксида Ag₂O, который растворяют при использовании органической кислоты и затем смешивают с раствором основы - силикатом натрия.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно получают водный раствор функционального составляющего элемента - алюминия в виде его соединения - трихлорида АlСl₃, затем добавляют органический комплексон алюминон и водный раствор аммиака, после чего промежуточный раствор смешивают с раствором основы - силикатом натрия.