Получение и исследование строения пористых стекол

 

      Из  сравнения частот основных полос  поглощения, взятых из литературных источников для кристаллических веществ, с экспериментальными данными для полученного стекла, наблюдается смещение частот полос поглощения, что говорит об изменении угла между связями, что свидетельствует об отсутствии дальнего порядка в расположении атомов в веществе. Таким образом, установлено, что в результате эксперимента было получено трехкомпонентное стекло системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂.

      3.1.2 Интерпретация ИК-спектров стекла после изотермического отжига

      В результате исследования отожженного образца стекла системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂ на спектрофотометре Perkin Elmer Spectrum One, была построена спектральная кривая зависимости коэффициента пропускания (Т) от частоты (ν) характерная для данного образца стекла (рисунок 11).  

      Рисунок 11 – ИК-спектр пропускания трехкомпонентного стекла после отжига при 560˚С 

      В случае отжига образца трехкомпонентного стекла в спектре (рисунок 11) наблюдается постепенное смещение полос поглощения, ответственных за колебания мостиковых связей B-O-B при 1384,9 см^-1 и 925,2 см^-1, а также Si-O-Si при 1092,1 см^-1 и 470,8 см^-1 в сторону основных полос колебаний относящихся к кристаллическим веществам. Также наблюдается уменьшение интенсивности полос поглощения с частотами 800 см^-1 и 672,1 см^-1 ответственных за колебания мостиков Si-O-B.

      Результаты  исследования приведены в таблице 3. 

Таблица 3 – Отжиг при 560˚С

 

      Постепенное смещение частот полос поглощения в сторону основных полос колебаний относящихся к кристаллическим веществам говорит о постепенном образовании постоянного угла между мостиковыми связями Si-O-Si и B-O-B, что свидетельствует о постепенном образовании более прочных мостиковых связей. Уменьшение интенсивности полос поглощения характерных для связи Si-O-B говорит о постепенном уменьшении количества компонентов образующих данный вид связи, которые переходят в более устойчивые обособленные друг от друга мостиковые связи Si-O-Si и B-O-B. Все это говорит о том, что в трехкомпонентном стекле системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂ при нагревании происходит процесс постепенного фазового разделения компонентов стекла на кремнеземную фазу, с малой примесью оксида бора и оксида натрия, а также на натриево-боратную фазу с некоторым содержанием оксида кремния. Объемное содержание обеих фаз таково, что они образуют непрерывные, пронизывающие друг друга структуры, что и обусловливает возможность получения пористого продукта после соответствующей химической обработки. 
 

     3.1.3 Интерпретация ИК-спектров стекла после отжига и химической обработки

      В результате исследования образца стекла системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂, полученного после его травления соляной кислотой (HCl), на спектрофотометре Perkin Elmer Spectrum One, была построена спектральная кривая зависимости коэффициента пропускания (Т) от частоты (ν) характерная для данного образца стекла (рисунок 12).  

      Рисунок 12 – ИК-спектр пропускания трехкомпонентного стекла после травления кислотой при 180˚С 

      В случае травления соляной кислотой образца трехкомпонентного стекла в спектре (рисунок 12) наблюдается смещение полос поглощения, ответственных за колебания мостиковых связей B-O-B при 940,5 см^-1, а также Si-O-B при 705,2 см^-1 в сторону основных полос колебаний относящихся к кристаллическим веществам. Также наблюдается резкое уменьшение интенсивности полос поглощения с частотами 1384,9 см^-1 и 705,2 см^-1 ответственных за колебания мостиков B-O-B и Si-O-B.

      Результаты  исследования приведены в таблице 4. 

Таблица 4 – Травление соляной кислотой при 180˚С

 

      Смещение частот полос поглощения в сторону основных полос колебаний относящихся к кристаллическим веществам говорит о постепенном образовании постоянного угла между мостиковыми связями Si-O-B и B-O-B, что свидетельствует об образовании более прочных мостиковых связей. Резкое уменьшение интенсивности полос поглощения характерных для связи Si-O-B и B-O-B говорит об уменьшении количества компонентов образующих данный вид связи, которые переходят в раствор соляной кислоты так как являются химически не устойчивыми к действию кислоты. Все это говорит о том, что в трехкомпонентном стекле системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂ после его отжига и последующем травлении кислотой идет процесс образования, на месте натриево-боратной фазы, полостей представляющих собой поры, пронизывающие структуру стекла.

       

     3.2 Исследование строения  стекол методом  РЭМ

     При исследовании структуры, внутреннего  строения и микровключений исследуемого стекла в качестве метода наблюдения была применена растровая электронная микроскопия, так как этот метод является наиболее универсальным для исследования и анализа микроструктурных характеристик твердых тел [23 с.145].

     Полученные  образцы отожженного трехкомпонентного  стекла системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂ и образцы, полученные после травления соляной кислотой (HCl), были исследованы с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6390.

     Электронный микроскоп JSM-6390 – это прибор с разрешением в высоком вакууме до 3 нм. Низковакуумный режим в модели JSM-6390 включается одним щелчком мыши, позволяя изучать влажные или непроводящие образцы без напыления.

       Образец крепился на предметном столике, который может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, допускает наклон образца до 90^o к электронно-оптической оси и вращение вокруг оси от 0 до 360^o. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца.

     Было  сделано два снимка поверхности  образца трехкомпонентного стекла. Сначала был сделан снимок образца стекла подвергавшегося температурному отжигу (рисунок 13), а затем был получен снимок образца стекла после травления соляной кислотой (рисунок 14). 
 

     

     Рисунок 13 – Снимок образца стекла после  отжига 

     

     Рисунок 14 – Снимок образца стекла после  травления соляной кислотой 

      По  результатам съемки РЭМ, на фотографии образца отожженного трехкомпонентного стекла (рисунок 13) можно наблюдать образование включений произвольной формы характеризующих процесс фазового разделения компонентов стекла на кремнеземную фазу и натриево-боратную фазу.

      На  фотографии образца стекла полученного после его отжига и последующем травлении соляной кислотой (рисунок 14) хорошо видно образование, на месте натриево-боратной фазы, полостей представляющих собой поры, пронизывающие структуру стекла.

      По  полученной фотографии была проведена  приблизительная оценка  размеров пор. В результате было установлено, что размер пор изменяется в широком диапазоне от 150 нм до 3 мкм, что является следствием неоднородности структуры полученного образца стекла.

     Исходя  из результатов, полученных при помощи двух описанных методов исследования, можно сделать вывод о том, что в результате проведенной работы было получено пористое кварцевое стекло представляющее собой перколирующую структуру двух взаимопроникающих фаз, а именно твердой и пористой решеток.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
 

     В результате проделанной работы изучены понятия стекло и стеклообразные вещества. Исследованы неоднородности структуры стекла. Рассмотрена структура пористого стекла. Освоен способ изготовления трехкомпонентного стекла системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂, а также освоена методика проведения температурного отжига трехкомпонентного стекла.

     Изучены строение и свойства пористого стекла. Рассмотрены методы получения пористого  стекла из натриево-боросиликатного  стекла. Освоена методика снятия ИК-спектра.

     Методом ИК-спектроскопии установлено:

     - в результате эксперимента было получено трехкомпонентное стекло системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂;

     - в трехкомпонентном стекле системы  Na₂O-B₂O₃-SiO₂ при отжиге происходит процесс постепенного фазового разделения компонентов стекла на кремнеземную фазу, с малой примесью оксида бора и оксида натрия, а также на натриево-боратную фазу с некоторым содержанием оксида кремния;

     - в трехкомпонентном отожженном  стекле системы Na₂O-B₂O₃-SiO₂ после его травления соляной кислотой идет процесс образования, на месте натриево-боратной фазы, полостей представляющих собой поры, пронизывающие структуру стекла.

      Методами  ИК-спектроскопии и растровой  электронной микроскопии установлено, что в результате проведенной  работы было получено пористое кварцевое  стекло представляющее собой перколирующую структуру двух взаимопроникающих фаз, а именно твердой и пористой решеток.   
 
 
 
 

      БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  
 

     1 Хакен Г. Синергетика: наука о взаимодействии./ Г. Хакен. – М.: Институт компьютерных исследований, 2003. – 320 с.

     2 Курдюмов С. Синергетика: начала нелинейного мышления./ С. Курдюмов. – М.: Наука, 1993. – 152 с.

     3 Шульц М. Стекло: структура, свойства, применение./ М. Шульц. – Л.: Наука, 1996. – 56 с.

     4 Шульц М. Современные представления о строении стекла и его свойствах./ М. Шульц. – Л.: Наука, 2004. – 23 с.

     5 Боков Н.А. Динамика неравновесных структур в интервале стеклования оксидных стекол по данным метода рассеяния света./ Н.А. Боков. – СП.: ИХС, 2008. – 30 с.

     6 Байдаков Л. Твердое тело: аморфное состояние веществ./ Л. Байдаков. – Л.: ЛПИ, 1984. – 64 с.

     7 Хоник В. Стекла: структура и структурные превращения./ В. Хоник. – В.: ВГПУ, 2001. – 95 с.

     8 Тюрнина Н.Г. Термодинамические свойства силикатных стекол и расплавов II. Система SrO–SiO₂. / Н.Г. Тюрнина – СП.: ЖОХ. 2006. Т. 76. Вып. 12. – с. 1966–1973.

     9 Боков Н.А. Динамика неравновесных структур в интервале стеклования оксидных стекол по данным метода рассеяния света./ Н.А. Боков. – СП.: ИХС, 2008. – 30 с.

     10 Кросс А. Введение в практическую инфракрасную спектроскопию./ А. Кросс. – М.: Наука, 1961. – 230 с.

     11 Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия./ А. Смит. – М.: Мир, 1982. – 319 с.

     12 Драго Р. Физические методы в химии./ Р. Драго. – М.: Мир, 1981. – 409 с.

     13 Гулоян Ю. Физико-химические свойства и характеристики стекол./ Ю.     Гулоян. – М.: УФН, 2006. – 24 с.

     14 Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах./ И. Пригожин,  Г. Николис. – М.: Мир, 1979. – 247 с.