Патент на изобретение №2228903

(54) МИКРОПОРИСТОЕ КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО

(57) Реферат:

Изобретение относится к аэрогелям диоксида кремния и может быть применено в качестве вместителей активной среды в жидкостных лазерах; мембран, например, при разделении жидкой смеси изотопов ³Не и ⁴Не или разделении смесей газов; подложек для УФ-микроскопии и др. Микропористое кварцевое стекло представляет собой аэрогель диоксида кремния и состоит из шариков SiO₂ размером 5-20 нм, объединенных в ажурный каркас с характерными размерами пор 20-150 нм, при пористости 60-80%. Техническим результатом изобретения является аэрогель диоксида кремния, обладающий одновременно высокой прочностью, пористостью и прозрачностью и не разрушающийся при контактах с обычными жидкостями.

Изобретение относится к аэрогелям диоксида кремния и может быть применено в качестве вместителей активной среды в жидкостных лазерах; мембран, например, при разделении жидкой смеси изотопов ³Не и ⁴Не или разделении смесей газов; подложек для УФ-микроскопии и др.

Известен аэрогель диоксида кремния [I], обладающий высокой пористостью и прозрачностью. Недостатком указанного аэрогеля является низкая прочность и разрушаемость при контакте с жидкостью. Известен также аэрогель SiO₂, изготавливаемый по способу [2], обладающий повышенной в сравнении с [1] прочностью – прототип. Недостатком указанного аэрогеля является также недостаточно высокая прочность и разрушаемость при контакте с жидкостью.

Целью данного изобретения является аэрогель диоксида кремния, лишенный указанных недостатков и обладающий одновременно высокой прочностью, пористостью и прозрачностью и не разрушающийся при контактах с обычными жидкостями.

Указанная цель достигается тем, что предлагаемое микропористое кварцевое стекло, представляющее собой аэрогель SiO₂, состоит преимущественно из шариков размером 5-20 нм, объединеных в ажурный каркас с характерными размерами пор 20-150 нм, при пористости 60-80%.

Технология производства.

Синтез предлагаемого стекла осуществляется в 6 этапов:

1. Приготовление полимерного этилсиликата с высоким содержанием кремнезема. Исходный мономер – тетраэтилсиликат с чистотой 98% – гидролизуется в кислой среде с использованием этанола в качестве промежуточного растворителя. После завершения процесса гидролиза большая часть этанола отгоняется, целевой продукт с необходимой концентрацией кремнезема остается в кубе.

n Si(ОС₂Н₅)₄+(n-1)Н₂О=(OC₂H₅)₃SiO(Si(OC₂H₅)₂O)_n-2Si(OC₂H₅)₃+2n C₂H₅OH

2. Получение алкогеля диоксида кремния, К полимерному этилсиликату добавляется необходимое для полного гидролиза количество воды. Полученный золь разливается в формы из стекла или металла, где и происходит его гелеобразование.

(ОС₂Н₅)₃SiO(Si(ОС₂Н₅)₂O)_n-2Si(ОС₂Н₅)₂

+(n+1)H₂O=nSiO₂(sol)+(2n+2)C₂H₅OH

SiO₂(sol)SiO₂(gel)

3. Старение и отмывка образцов. Полученные образцы состариваются при повышенной температуре, после чего извлекаются из форм и помещаются в этиловый спирт для удаления остатков воды и несвязанных полимеров.

4. Упрочнение образцов. Для придания образцам необходимой прочности производится дополнительное их состаривание в растворе мономерного тетраэтилсиликата. После этого процесса образцы выдерживаются в водно-спиртовом растворе для полного завершения гидролиза. Указанный цикл может быть повторен с целью дальнейшего повышения прочности.

5. Сверхкритическое высушивание. Образцы помещаются в автоклав и подвергаются сверхкритическому высушиванию в среде этанола.

6. Упрочняющий отжиг. Для придания максимальной прочности высушенные образцы нагреваются до температуры начала спекания.

Пример 1.

1. Исходная смесь из 506 мл тетраэтилсиликата, 253 мл этанола (95 мас.%) и 61 мл водного раствора соляной кислоты (1 часть 39% НСl на 1000 частей Н₂О) кипятится с обратным холодильником в течение 2 часов. Затем обратный холодильник заменяется на прямой и из реакционной смеси отгоняется 567 мл этанола. Кубовый остаток, представляющий собой вязкую жидкость, составляет 253 мл. Из-за значительной вязкости присутствующие в нем взвеси не могут быть удалены путем фильтрации, поэтому для его очистки целесообразно применять центрифугирование.

2. К полученному полимерному тетраэтилсиликату добавляется 150 мл Н₂О. Золь наливается в четыре стеклянные формы, поочередно укладываемые в титановый контейнер. После этого контейнер герметично закрывается. Гелеобразование происходит на следующий день. Размер используемых форм 136934 мм³.

3. Контейнер с образцами помещается в водяную баню, где нагревается до 90С за два дня. После 12-часовой выдержки при этой температуре контейнер извлекается из бани. После остывания образцы извлекаются из форм. Линейная усадка составляет примерно 17%. Остатки воды и несвязанные полимеры удаляются путем отмачивания в этаноле, за время процесса этанол дважды меняется и общий его расход составляет 1,5 литра.

4. Пластины погружаются в 10-процентный раствор тетраэтилсиликата в абсолютном этаноле. Старение длится 12 часов при температуре 60С. Состаренные пластины трижды отмываются в этаноле и нагреваются в 70% растворе этилового спирта до 60С с выдержкой в 6 часов.

5. Упрочненные образцы помещаются в автоклав для сверхкритической сушки. Параметры сушки: среда – этанол; максимальная температура 270С; давление 90 атм; длительность операции 10 часов.

Усадка образцов по окончании процесса составляет 4%.

1. Высушенные пластины в течение 6 часов нагреваются до 750С, после чего выдерживаются 2 часа при этой температуре. Усадка в процессе отжига составляет приблизительно 2%.

Размеры готовых пластин составляют 106733 мм³. При точном соблюдении технологических параметров разброс размеров образцов составляет менее 1 мм по длине. Материал обладает высокой механической прочностью и хорошей прозрачностью. Он легко впитывает различные жидкости (включая воду), после чего может быть высушен при обычных условиях без растрескивания.

Физические свойства полученного микропористого кварцевого стекла:

Размер шариков SiO₂ 12 нм (определен по турбидиметрическому методу при рассеянии излучения с длиной волны 300 нм и 450 нм).

Характерный размер пор 23,5 нм.

Пористость 68%.

Источники информации

1. Патент США No 4327065, класс С 01 В 33/158, 1983.

2 Т.А. Городецкая, А.Ф. Данилюк, В.Л. Кузнецов. Авторское свидетельство СССР SU 1680623 А1.

Формула изобретения

Микропористое кварцевое стекло, представляющее собой аэрогель диоксида кремния, отличающееся тем, что состоит из шариков SiО₂ размером 5-20 нм, объединенных в ажурный каркас с характерными размерами пор 20-150 нм, при пористости 60-80%.