Стекло и способ его получения

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(72) Авторы Бойко Андрей Андреевич Подденежный Евгений Николаевич Шабловский Ярослав Олегович Стоцкая Оксана Анатольевна Гришкова Елена Ивановна(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(57) 1. Силикатное стекло, включающее 2,и оксид-модификатор 2 или 2,отличающееся тем, что дополнительно содержит оксиды 23 и 23 при следующем соотношении компонентов, мас.2 50-60 0,5-3,0 2 или 2 5-15 23 15-20 23 15-20. 2. Способ получения силикатного стекла по п. 1, при котором готовят золь путем ультразвукового диспергирования в воде чистого аэросила и аэросила с нанесенными частицами оксида меди , затем в полученный золь вводят 247102 или 24742 и соединение, полученную смесь перемешивают с применением ультразвуковой активации, формируют гель, сушат его и термообрабатывают. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве соединенияиспользуют свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута . Изобретение относится к составам и способам получения стекол, поглощающих опасное для человеческого глаза ультрафиолетовое (УФ) излучение от 200 до 450 нм и инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне от 600 до 1200 нм, и может быть использовано для изготовления светофильтров, экранов, противолазерных очков, а также фильтровотражателей систем накачки твердотельных лазеров. Известно фосфатное стекло, поглощающее излучение в ближней ИК области спектра и имеющее следующее соотношение компонентов, мас.Р 2 О 5 - 35-50 , 2 - 1,5-20 , - 0-15( - щелочно-земельный металл,- металл второй группы),- 0,2-121. 11183 1 2008.10.30 Это стекло изготавливается при сравнительно высокой (1250 С) температуре, требует использования при производстве дорогостоящих оксидов (2, 2, , ) и не способно обеспечить поглощение опасного для человеческого глаза УФ излучения. Известное стекло получают плавкой исходных оксидов в платиновом тигле при температуре 1250 С и дополнительном перемешивании мешалкой с платиновыми лопастями с последующим охлаждением шихты сложным ступенчатым путем. Недостатками этого способа получения стекла являются высокая энергозатратность, необходимость применения платиновых тиглей и мешалок, выделение при производстве вредных газов, сложная программа охлаждения после завершения плавки. Известно стекло, используемое для ИК фильтров 2. Недостатками этого стекла являются сложность состава (25 компонентов), низкая предельная температура эксплуатации (температура размягчения стекла 570 С), неустойчивость к термоудару, а также необходимость использования при производстве дорогостоящих (СеО 2, 23) и вредных для здоровья (23, ) оксидов. Кроме этого, упомянутое стекло не поглощает опасного для человеческого глаза УФ излучения. Наиболее близким к заявленному изобретению является силикатное стекло, поглощающее ИК излучение в диапазоне 780-1180 нм и имеющее следующее соотношение компонентов, мас.2 - 70-98,- 1-12, 2 О - 1-18 3. Указанное стекло не обеспечивает поглощение опасного для человеческого глаза УФ излучения в области 300-380 нм и заведомо не способно найти широкое практическое применение, так как может использоваться только для изготовления изделий с диаметром менее 10 мм. При этом себестоимость производства стекла неоправданно высока ввиду чрезмерной сложности способа его получения. Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ получения силикатного стекла 3. Согласно способу-прототипу, формируют золь кремниевой кислоты (1 сутки), проводят гелеобразование и созревание в течение 7 суток, затем пропитывают гель в водном растворе ацетатов меди и калия в течение 1 суток, осаждают твердую соль внутри пор геля ацетоном при многократном (9 раз) погружении образца в ацетон (3 суток), сушат в термошкафу при температуре 50-200 С (1 сутки), а затем проводят стеклование в атмосфере кислорода и гелия при температуре 650-750 С (10 ч). Этот способ имеет следующие недостатки процесс изготовления неоправданно длителен (весь цикл получения стеклянной заготовки для ИК фильтра занимает до 15 суток) изготовление сопровождается большой усадкой (более 50 от заливной формы) стеклование в атмосфере чистого кислорода требует особых условий синтеза стекло получают в виде заготовок диаметром до 10 мм. Задачей настоящего изобретения является разработка состава силикатного стекла, поглощающего УФ излучение в диапазоне длин волн от 200 до 450 нм и ИК излучение в диапазоне от 600 до 1200 нм, а также разработка способа получения такого стекла, обеспечивающего снижение себестоимости производства и уменьшение продолжительности процесса производства. Поставленная задача решается тем, что силикатное стекло, включающее 2,и оксид-модификатор 2 или 2 О, дополнительно содержит оксиды В 2 О 3 и 2 Оз при следующем соотношении компонентов (мас. ) 2 50-60 0,5-3 2 О или 2 О 5-15 В 2 О 3 15-20 23 15-20. Заявляемое стекло получают золь-гельметодом, при котором золь готовят путем ультразвукового диспергирования в воде чистого аэросила и аэросила с нанесенными части 2 11183 1 2008.10.30 цами оксида меди , затем в полученный золь вводят 247102 или 2 В 4 О 74 Н 2 О и соединение, полученную смесь перемешивают с применением ультразвуковой (УЗ) активации, формируют гель, сушат его и термообрабатывают. При этом в качестве соединенияиспользуют свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый реакцией нитрата висмута с водным раствором аммиака. Соль 247102 или 2 В 4 О 74 Н 2 О используют в качестве источника 2 О или 2 О и В 2 О 3. Использование оксидов бора и висмута в исходной шихте позволяет снизить температуру формирования стекла до 1000-1100 С при сохранении высокой влагостойкости. Кроме того, использование оксида висмута способствует сохранению ионов меди в двухвалентном состоянии, что, в свою очередь, обеспечивает поглощение УФ и ближнего ИК излучения. При концентрациях оксидов бора и висмута ниже 15 мас.температура формирования стекла увеличивается до 1300-1350 С. При превышении концентрации оксидов бора и висмута выше 20 стекло становится легкоплавким и не обеспечивает достаточного уровня влагостойкости и термической прочности. Изготовление стекла предлагаемым способом осуществляют следующим образом. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди(концентрация оксида меди на аэросиле А-380 составляет 3,0 ), и производят механическое перемешивание(скорость вращения мешалки 70 об./мин), совмещенное с УЗ активацией (мощность 250 Вт, частота 18 кГц) в течение 1 ч. В полученный коллоид вводят десятиводный тетраборат натрия 24710 Н 2 О (буру) или четырехводный тетраборат калия 2 В 4 О 74 Н 2 О, а затем добавляют свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута ,получаемый реакцией нитрата висмута с водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в фарфоровую выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель и уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/ч с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1000-1100 С, выдержка 1-2 ч. Охлаждение с печью. Весь цикл получения стеклянной заготовки занимает до 2 суток. Ниже приведены примеры реализации заявляемого состава и способа. Пример 1. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида производят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией раствора в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 12 г буры и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 6 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель, уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/час с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1050 С, выдержка 1,5 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло сине-зеленого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1,свойства - в табл. 2. На фигуре приведен спектр пропускания стекла состава 1. Пример 2. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида производят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с 3 11183 1 2008.10.30 УЗ активацией раствора в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 16 г буры и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 8 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель и уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/час с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1000 С, выдержка 2 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло сине-зеленого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1,свойства - в табл. 2. Пример 3. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида проводят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 14 г буры и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 7 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель, уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/ч с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1050 С, выдержка 2 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло светло сине-зеленого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2. Пример 4. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида производят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией раствора в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 12 г буры и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 10 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель и уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/час с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1000 С, выдержка 1 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло зеленого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2. Пример 5. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида проводят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией раствора в течение 1 ч. В полученный коллоид добавляют 10 г буры и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 4 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термо-шкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Полученный гель загружают в фарфоровый тигель и уплот 4 11183 1 2008.10.30 няют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/час с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1300 С, выдержка 1 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло светло-коричневого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2. Пример 6. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида проводят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией раствора в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 16 г четырехводного тетрабората калия и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 8 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель, уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 С/час с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1000 С,выдержка 2 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло сине-зеленого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2. Пример 7. К 50 мл дистиллированной воды добавляют 7,2 г чистого аэросила А-380 и 3,0 г аэросила А-380, модифицированного наночастицами оксида меди . Приготовление коллоида проводят с использованием механической мешалки, совмещая перемешивание с УЗ активацией раствора в течение 1 ч. Затем в полученный коллоид добавляют 10 г четырехводного тетрабората калия и свежеосажденный коллоидный осадок метагидроксида висмута, получаемый в результате реакции 4 г нитрата висмута с 25 водным раствором аммиака. После механического перемешивания, совмещенного с УЗ активацией в течение 30 мин, коллоид выливают в выпарительную чашку и сушат в термошкафу при температуре 60-80 С в течение 1 суток для формирования геля. Сформированный гель загружают в фарфоровый тигель, уплотняют механическим путем. Плавку геля проводят в муфельной электропечи со скоростью нагрева 200 /ч с выдержкой при температуре 200 С 10 мин, а затем при температуре 650 С - 30 мин. Конечная температура плавки 1300 С,выдержка 1 ч. Охлаждение с печью. Получают однородное стекло светло-коричневого цвета. Состав стекла приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2. Таблица 1 Содержание компонентов, мас.Состав 2 11183 1 2008.10.30 Таблица 2 Свойство Порог импульсного облучения,Светопропускание,Водостойкость, Температура Состав класс плавления, С 107 Втс 1/2/м 2 450 нм 520 нм 700 нм 1 1 18 1 1300 1,680 При импульсном облучении стекла энергияи продолжительностьлазерного импульса должны удовлетворять соотношению,где- площадь сечения импульсного пучка. Величина параметраприведена в правом столбце табл. 2. При воздействии на полученное стекло непрерывного лазерного излучения интенсивноститемпература Т внутри стекла в момент временина расстоянииот облучаемой поверхности оценивается по формуле( 1),(х) - интеграл вероятности. Полученное стекло не пропускает излучение ионных -, жидкостных, полупроводниковых, молекулярных и газоразрядных эксимерных лазеров, а также основную гармонику рубиновых и -лазеров. Благодаря этому оно может быть использовано для изготовления светофильтров, экранов, противолазерных очков, а также отражателей систем накачки твердотельных лазеров. Таким образом, разработаны составы силикатного стекла, поглощающего УФ излучение в диапазоне длин волн от 200 до 450 нм и ИК излучение в диапазоне от 600 до 1200 нм, а также разработан способ получения такого стекла, обеспечивающий снижение себестоимости производства и уменьшение продолжительности процесса производства. где Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7