Фосфатное стекло и способ его получения

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам. Стекло содержит следующие компоненты, мас.%: P2O5 58,00-70,00; K2O 8,50-18,50; Al2O3 7,10-8,90; ВаО 9,80-11,50; B2O3 3,70-5,20; SiO2 1,80-2,30; SnO2 1,10-1,25 Au 0,005-0,02 (сверх 100%). При подготовке шихты проводят синтез золя наночастиц золота Au из золотохлористоводородной кислоты HAuCl4⋅4H2O, глутатиона, тетрагидробората натрия NaBH4 и этилового спирта С2Н5ОН. Полученный золь в количестве 0,005-0,02 мас. % перемешивают с оксидом кремния SiO2 в количестве 1,80-2,30 мас.%, оксидом олова SnO2 в количестве 1,80-2,30 мас.%. Выпаривают смесь в муфельной печи, перетирают смесь в агатовой ступке, перемешивают смесь с карбонатом калия K2CO3, гидроксидом алюминия Al(OH)3, карбонатом бария, борной кислотой Н3ВО3 в кварцевом сосуде, добавляют эту смесь в ортофосфорную кислоту Н3РО4. Варку стекла проводят в одну стадию при температуре 1380-1420°C, далее проводят термообработку полученного стекла в муфельной печи в течение 3-4 ч при температуре 300-350°C. 2 н.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам, которые могут использоваться для визуализации излучения УФ диапазона и в устройствах записи информации, например, при формировании фемтосекундным лазерным излучением люминесцентных нанокластеров золота в объеме стекла.

Известен ряд силикатных и боратных стекол, содержащих в своем составе золото [1-3], в которых золото в стекольную шихту вводится через соль золота HAuCl4, при этом получают бесцветные или окрашенные стекла при выработке. Подобные стекла применяются в качестве фоточувствительных элементов для изготовления декоративных изделий или светофильтров. Однако для создания материалов для визуализации УФ излучения или материалов для устройств записи оптической памяти лазерными импульсами необходимо использовать стекла с высокой оптической однородностью и низкой кристаллизационной способностью. Более того, необходимо получать бесцветные стекла на этапе выработки, последующая термообработка при температурах ниже Tg или обработка лазерным излучением будет стимулировать восстановление ионов золота до атомарного состояния и их агрегацию в нанокластеры золота с размерами до 3 нм. Такие нанокластеры золота в силу их электронного строения проявляют широкополосную рекомбинационную люминесценцию в видимой области спектра (400-600 нм) при возбуждении в УФ диапазоне [4]. Наиболее перспективными стеклами для создания таких материалов являются фосфатные стекла в метафосфатной области составов, отличающиеся низкой кристаллизационной способностью и возможностью получения стекла с высокой оптической однородностью, низкой температурой Tg, отвечающей возможностью последующей термообработки при низких температурах (до 400°C) и использования малого количества лазерных импульсов для формирования нанокластеров золота. Однако известно [5], что при введении золота в фосфатную шихту в виде соли HAuCl4 происходит неконтролируемое полное или частичное окрашивание стекла на этапе выработки, что приводит к невозможности использования таких стекол в качестве визуализаторов УФ излучения или материалов для устройств записи оптической памяти.

Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является стекло состава, мас.%: (55-65) P2O5, (8-12) BaO, (10-15) K2O, (1-4) SiO2, (5-10) Al2O3, (2-6) B2O3, (0,1-4,5) Nd2O3 [6]. Данное стекло обладает высокими химическими и механическими свойствами, пригодными для применения в качестве визуализатора и материалов для оптической памяти. Однако недостатком прототипа является отсутствие в составе стекла ионов или наночастиц золота, что делает невозможным получение люминесценции в видимой области спектра при возбуждении в УФ диапазоне, а также делает невозможным идею формирования люминесцирующих нанокластеров в объеме стекла для записи информации. Также недостатком прототипа является наличие в составе стекла ионов неодима Nd3+, приводящих к окрашиванию стекла в розовый цвет на этапе выработки, в то время как для вышеописанных применений требуется получение бесцветного стекла.

Задачей предлагаемого изобретения является создание бесцветного фосфатного стекла, характеризующегося широкополосной люминесценцией в видимой области спектра при последующей термообработке и пригодного для использования в качестве визуализаторов УФ излучения и материалов для устройств записи оптической памяти лазерным излучением.

Поставленная задача решается составом, включающим оксиды фосфора P2O5, кремния SiO2, алюминия Al2O3, бора B2O3, калия K2O и бария BaO и дополнительно включающим оксид олова SnO2 и наночастицы золота Аu при следующем соотношении компонентов, мас.%: (58,00-70,00) P2O5, (8,50-18,50) K2O, (7,10-8,90) Al2O3, (9,80-11,50) BaO, (3,70-5,20) B2O3, (1,80-2,30) SiO2, (1,10-1,25) SnO2, (0,005-0,02) Au (сверх 100%).

Поставленная задача также решается способом получения фосфатного стекла, включающим варку в электрической печи шахтного типа и выработку стекла в блок, что при подготовке шихты проводят синтез золя наночастиц золота Au из золотохлористоводородной кислоты HAuCl4⋅4H2O, глутатиона, тетрагидробората натрия NaBH4 и этилового спирта C2H5OH, перемешивают компоненты оксида кремния SiO2 в количестве 1,80-2,30 мас.%, оксида олова SnO2 в количестве 1,80-2,30 мас.% и синтезированный золь наночастиц золота Au в количестве 0,005-0,02 мас.% в кварцевом сосуде, выпаривают смесь в муфельной печи, перетирают смесь в агатовой ступке, перемешивают смесь с карбонатом калия K2CO3 (в пересчете на 6,50-18,50 мас.% K2O), гидроксидом алюминия Al(OH)3 (в пересчете на 7,10-8,90 мас.% Al2O3), карбонатом бария (в пересчете на 9,80-11,50 мас.% BaO), борной кислотой H3BO3 (в пересчете на 3,70-5,20 мас.% B2O3) в кварцевом сосуде, добавляют эту смесь в ортофосфорную кислоту H3PO4 (в пересчете на 58,00-70,00 мас.% P2O5), варку стекла проводят в одну стадию при температуре 1380-1420°C, далее проводят термообработку полученного стекла в муфельной печи в течение 3-4 ч при температуре 300-350°C.

В результате применения предлагаемого способа возможно получить бесцветное оптическое однородное фосфатное стекло, в котором золото находится в ионном или атомарном виде. Последующая дополнительная термообработка стекла при температуре 300-350°C приводит к формированию нанокластеров золота с размерами до 3 нм и выражается в широкополосной люминесценции в видимой области спектра в диапазоне 375-750 нм при возбуждении в УФ диапазоне 250-280 нм, при этом стекло остается бесцветным.

Пример 1: Способ получения фосфатного стекла состава (мас.%): P2O5 58,0, K2O 18,5, Al2O3 7,1, BaO 9,8, B2O3 3,7, SiO2 1,8, SnO2 1,1, Au 0,005 (сверх 100%). Синтез золя наночастиц золота Аu проводят из 60 мл этилового спирта, 40 мл дистиллированной воды, 0,01 г золотохлористоводородной кислоты, 0,06 г глутатиона, 5 мл 0,2М раствора борогидрида натрия. Проводят смешивание золя наночастиц Au в количестве 0,005 мас.% с компонентами SiO2 в количестве 1,8 мас.% и SnO2 в количестве 1,1 мас.% в кварцевом сосуде в течение 60 мин, выпаривание в муфельной печи при температуре 115°С в течение 60 мин и перетирание в агатовой ступке в течение 15 мин. Затем проводят смешивание этой смеси с карбонатом калия K2CO3 (в пересчете на 18,50 мас.% K2O), гидроксидом алюминия Al(OH)3 (в пересчете на 7,10 мас.% Al2O3), карбонатом бария (в пересчете на 9,80 мас.% BaO), борной кислотой H3BO3 (в пересчете на 3,70 мас.% B2O3) в кварцевом сосуде. Затем добавляют эту смесь в ортофосфорную кислоту H3PO4 (в пересчете на 58,00 мас.% P2O5). Варку стекла проводят в одну стадию в электрической печи шахтного типа при температуре 1420°С с выработкой стекла в блок. Стекло получается бесцветным, коэффициент поглощения k550=0,01 см-1. Последующая дополнительная термообработка стекла при температуре 350°C в течение 4 ч приводит к образованию широкополосной люминесценции в видимой области спектра с максимумом полосы на 551 нм и шириной полосы 206 нм, при возбуждении в УФ диапазоне на длине волны 280 нм.

Пример 2: Способ получения фосфатного стекла по примеру 1, отличающийся тем, что дополнительную термообработку стекла проводят при 300°C в течение 3 ч. Полученное стекло обладает широкополосной люминесценцией в видимой области спектра с максимумом полосы на 553 нм и шириной полосы 213 нм, при возбуждении в УФ диапазоне на длине волны 280 нм.

Пример 3: Способ получения фосфатного стекла по примеру 1, отличающийся составом стекла (мас.%): P2O5 70,0 K2O 6,5, Al2O3 7,10 BaO 9,8, B2O3 3,7, SiO2 1,8 SnO2 1,1, Au 0,02 (сверх 100%). Также отличающийся тем, что варку стекла проводят при температуре 1380°C, дополнительную термообработку стекла проводят при 320°C в течение 3 ч. Полученное стекло обладает широкополосной люминесценцией в видимой области спектра с максимумом полосы на 549 нм и шириной полосы 198 нм, при возбуждении в УФ диапазоне на длине волны 280 нм.

Источники информации

1. United States Patent №2515937 «Фоточувствительное золотое стекло и метод его получения», Стуки С.Д. Дата публикации 18.07.1950.

2. United States Patent №20110057154 «Проводящие стеклометаллические композиции и методы их получения», Джэйн X. Дата публикации 10.03.2010.

3. Chinese Patent №101798179 «Дихроичное стекло с нанозолотом и метод его получения», Дата публикации 11.08.2010.

4. Zheng J. et. al. Different sized luminescent gold nanoparticles. // Nanoscale. 2012. №4. C. 073-4083.

5. Сигаев B.H. и др. Синтез оксидных оптически однородных стекол, содержащих наночастицы золота. Спектральные и нелинейно-оптические свойства. // Стекло и керамика. 2013. №4. С. 5-40

6. Патент РФ №2426701 «Оптическое фосфатное стекло», Саркисов П.Д., Сигаев В.Н., Голубев Н.В., Савинков В.И. Дата публикации 20.08.2011.

1. Фосфатное стекло, включающее компоненты Р2О5, K2O, Al2O3, BaO, В2О3, SiO2, отличающееся тем, что дополнительно введен оксид олова SnO2 и золь наночастиц золота Au при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

P2O5 58,00-70,00
K2O 8,50-18,50
Al2O3 7,10-8,90
ВаО 9,80-11,50
B2O3, 3,70-5,20
SiO2 1,80-2,30
SnO2 1,10-1,25
Au 0,005-0,02 (сверх 100%)

2. Способ получения фосфатного стекла по п. 1, включающий варку в электрической печи и выработку стекла в блок, отличающийся тем, что при подготовке шихты проводят синтез золя наночастиц золота Au из золотохлористоводородной кислоты HAuCl4⋅4H2O, глутатиона, тетрагидробората натрия NaBH4 и этилового спирта С2Н5ОН, перемешивают компоненты оксида кремния SiO2 в количестве 1,80-2,30 мас.%, оксида олова SnO2 в количестве 1,80-2,30 мас.% и синтезированный золь наночастиц золота Au в количестве 0,005-0,02 мас.% в кварцевом сосуде, выпаривают смесь в муфельной печи, перетирают смесь в агатовой ступке, перемешивают смесь с карбонатом калия K2CO3 (в пересчете на 8,50-18,50 мас.% K2O), гидроксидом алюминия Al(OH)3 (в пересчете на 7,10-8,90 мас.% Al2O3), карбонатом бария (в пересчете на 9,80-11,50 мас.% ВаО), борной кислотой Н3ВО3 (в пересчете на 3,70-5,20 мас.% В2О3) в кварцевом сосуде, добавляют эту смесь в ортофосфорную кислоту Н3РО4 (в пересчете на 58,00-70,00 мас.% Р2О5), варку стекла проводят в одну стадию при температуре 1380-1420°C, далее проводят термообработку полученного стекла в муфельной печи в течение 3-4 ч при температуре 300-350°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству стекол, используемых, преимущественно, в электронной и радиотехнической промышленности. Легкоплавкое стекло содержит, мас.
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекла для изготовления изделий декоративно-художественного назначения, бижутерии. .

Изобретение относится к составам стекол для изготовления бисера. .
Стекло // 2430023
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекол, которые могут быть использованы дня изготовления изделий декоративно-художественного назначения.
Стекло // 2425809
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекол, которые могут быть использованы в производстве облицовочной плитки, изделий декоративно-художественного назначения.
Изобретение относится к способу изготовления окислительно-восстановительной стеклообразной фритты для герметизации стеклованием материала. .
Стекло // 2400439
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам накладного стекла. .
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов стекол для изготовления бисера. .
Стекло // 2328458
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекол, используемых в вычислительной, электро- и радиотехнике. .
Изобретение относится к составу стекловидного покрытия и может быть использовано для нанесения на изделия из керамики, металла. .

Изобретение относится к способам варки бесцветного стекла. Техническим результатом является сокращение внутризаводских отходов стекла.
Изобретение относится к стекольной промышленности, в частности к способам варки стекла. Сырьевые материалы подвергают совместному тонкому измельчению и компактированию.

Изобретение относится к электродной системе для стекловарочных печей с варочным бассейном. .

Изобретение относится к области металлургии и строительства. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкциям водоохлаждаемых тиглей с индукционным нагревом, которые могут быть использованы для получения расплавов минералов, минералоподобных материалов, керамических материалов, стекол и других стеклоподобных материалов с высокими температурами плавления, а также для включения в стекло- и или керамикоподобные материалы совместимых с ними радиоактивных и нерадиоактивных отходов.

Изобретение относится к электрической стекловаренной печи сопротивления для составов, способных остекловываться, например стекла, эмали или керамики, с варочным бассейном, поворачивающимся вокруг вертикальной оси, и стационарной верхней печью.

Изобретение относится к устройствам для непрерывного формования трубок или стержней из кварцевого стекла вытягиванием с помощью вращающихся инструментов. .

Изобретение относится к интенсификации процесса плавления силикатной шихты в индукционных печах, в частности к производству теплоизоляционных изделий из супертонного волокна.

Изобретение относится к области получения фторидных стекол с широким диапазоном пропускания. Технический результат изобретения заключается в получении оптически прозрачных стекол без кислородсодержащих примесей с расширенным диапазоном пропускания от 0,21 мкм до 7,5 мкм для фторцирконатного стекла и от 0,225 мкм до 8 мкм для фторгафнатного стекла.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам. Стекло содержит следующие компоненты, мас.: P2O5 58,00-70,00; K2O 8,50-18,50; Al2O3 7,10-8,90; ВаО 9,80-11,50; B2O3 3,70-5,20; SiO2 1,80-2,30; SnO2 1,10-1,25 Au 0,005-0,02. При подготовке шихты проводят синтез золя наночастиц золота Au из золотохлористоводородной кислоты HAuCl4⋅4H2O, глутатиона, тетрагидробората натрия NaBH4 и этилового спирта С2Н5ОН. Полученный золь в количестве 0,005-0,02 мас. перемешивают с оксидом кремния SiO2 в количестве 1,80-2,30 мас., оксидом олова SnO2 в количестве 1,80-2,30 мас.. Выпаривают смесь в муфельной печи, перетирают смесь в агатовой ступке, перемешивают смесь с карбонатом калия K2CO3, гидроксидом алюминия Al3, карбонатом бария, борной кислотой Н3ВО3 в кварцевом сосуде, добавляют эту смесь в ортофосфорную кислоту Н3РО4. Варку стекла проводят в одну стадию при температуре 1380-1420°C, далее проводят термообработку полученного стекла в муфельной печи в течение 3-4 ч при температуре 300-350°C. 2 н.п. ф-лы, 1 пр.

Наверх