Пористое стекло
Пористое стекло — это стекло , которое включает поры, обычно размером в нанометр или микрометр , обычно получаемое одним из следующих процессов: посредством метастабильного фаз разделения в боросиликатных стеклах (например, в их системе SiO 2 -B 2 O 3 -Na 2 О) с последующей жидкостной экстракцией одной из образовавшихся фаз; [1] [2] процессом золь-гель- ; или просто путем спекания стеклянного порошка .
Особые свойства и коммерческая доступность пористого стекла делают его одним из наиболее широко исследованных и охарактеризованных аморфных твердых тел . Благодаря возможности моделирования микроструктуры пористые стекла имеют высокий потенциал в качестве модельной системы. Они демонстрируют высокую химическую, термическую и механическую стойкость, что обусловлено жесткой и несжимаемой сеткой кремнезема . Их можно производить высокого качества и с размером пор от 1 нм до любого желаемого значения. Легкая функционализация внутренней поверхности открывает широкую область применения пористых стекол.
Еще одним особым преимуществом пористых стекол по сравнению с другими пористыми материалами является то, что их можно изготавливать не только в виде порошка или гранулята, но и в виде более крупных кусков практически любой заданной пользователем формы и текстуры.
История
[ редактировать ]В первой половине 20 века Тернер и Уинкс обнаружили, что боросиликатные стекла можно выщелачивать кислотами. Их исследования показали, что термическая обработка может влиять не только на химическую стабильность, но и на плотность , показатель преломления , тепловое расширение и вязкость . В 1934 году Нордберг и Худ [ нужны разъяснения ] обнаружили, что щелочно-боросиликатные стекла разделяются на растворимую (богатую боратом натрия) и нерастворимую (богатую кремнеземом) фазы, если стекло подвергается термической обработке. Путем экстракции минеральными кислотами растворимая фаза может быть удалена и остается пористая сетка кремнезема. В процессе спекания после экстракции кварцевое образуется стекло, свойства которого приближаются к свойствам кварцевого стекла . Производство таких стекол с высоким содержанием кремния описано как процесс VYCOR .
Определение
[ редактировать ]В научной литературе пористое стекло представляет собой пористый материал, содержащий примерно 96% кремнезема , который получают путем кислотной экстракции или комбинированной кислотной и щелочной экстракции соответственно из щелочно-боросиликатных стекол с разделенными фазами и имеет трехмерную взаимосвязанную пористую микроструктуру. Для коммерчески доступных пористых стекол используются термины пористое стекло VYCOR (PVG) и стекло с контролируемыми порами (CPG). Поровая структура образована синдетической системой каналов и имеет удельную поверхность от 10 до 300 мкм. 2 /г. Пористые стекла могут быть получены путем кислотной экстракции щелочно-борокремнеземных стекол с разделенными фазами или золь-гель-процессом. Регулируя производственные параметры, можно производить пористое стекло с размером пор от 0,4 до 1000 нм с очень узким распределением пор по размерам. Вы можете создавать различные формы, например, частицы неправильной формы (порошок, гранулят), сферы, пластины, палочки, волокна, ультратонкие мембраны, трубки и кольца.
Производство
[ редактировать ]
Предпосылкой для серийного производства пористого стекла является знание параметров определения структуры и контроля структуры. Состав исходного стекла является параметром, контролирующим структуру. Производство исходного стекла, главным образом, процесс охлаждения, температура и время термической обработки, а также последующая обработка являются параметрами, определяющими структуру. Фазовая диаграмма натриево-кремнеземного стекла показывает разрыв смешиваемости для определенных составов стекла.
Верхняя критическая температура лежит около 760 °С, а нижняя около 500 °С. Молчанова была первым человеком, который точно описал определение распада. Для разделения фаз исходный состав стекла должен находиться в зоне смешивания тройного Na.
2 О - Б
22О
3 - СиО
2- стеклянная система. При термической обработке создается структура взаимопроникновения, которая возникает в результате спинодального распада фазы бората, богатой натрием, и фазы кремнезема. Эта процедура называется первичной декомпозицией . Используя исходный состав стекла, лежащий на линии аномалии, можно добиться максимального разложения, практически бездеформационного.
Поскольку обе фазы имеют различную устойчивость к воде, минеральным кислотам и растворам неорганических солей, богатую натрием боратную фазу в этих средах можно удалить экстракцией. Оптимальная экстракция возможна только в том случае, если исходный состав стекла и термическая обработка выбраны таким образом, чтобы образовывались комбинированные структуры, а не капельные. На текстуру влияет состав исходного стекла, который определяет размер и тип зон разложения. В контексте пористых стекол «текстура» подразумевает такие свойства, как удельный объем пор, удельная поверхность, размер пор и пористость. Кроме того, на текстуру пористых стекол влияют концентрация экстракционной среды и соотношение жидкости и твердого вещества. Возникающие области разложения зависят от времени и температуры термической обработки.
Также коллоидный кремнезем растворяется в богатой натрием боратной фазе при увеличении времени и температуры термической обработки. Этот процесс называется вторичным разложением. Коллоидный кремнезем откладывается в макропорах во время экстракции и скрывает реальную структуру пор. Растворимость коллоидного кремнезема в щелочных растворах выше, чем сетчатого кремнезема, и поэтому его можно удалить путем дополнительной щелочной обработки.
Приложения
[ редактировать ]Благодаря их высокой механической, термической и химической стабильности, возможности изготовления пор разного размера с небольшим распределением пор по размерам и разнообразным модификациям поверхности возможен широкий спектр применений. Тот факт, что пористые стекла могут быть изготовлены в самых разных формах, является еще одним преимуществом для применения в промышленности, медицине, фармацевтических исследованиях, биотехнологиях и сенсорных технологиях.
Пористые стекла идеально подходят для разделения материалов из-за небольшого распределения пор по размерам. Вот почему их используют в газовой хроматографии, тонкослойной хроматографии и аффинной хроматографии. Адаптация неподвижной фазы для решения проблемы разделения возможна путем специальной модификации поверхности пористого стекла.
В биотехнологии пористые стекла полезны для очистки ДНК и иммобилизации ферментов или микроорганизмов. Стекло с контролируемыми порами (CPG) с размером пор от 50 до 300 нм также прекрасно подходит для синтеза олигонуклеотидов . В этой заявке линкер, нуклеозид или ненуклеозидное соединение, сначала прикрепляется к поверхности CPG. Длина цепи образующихся олигонуклеотидов зависит от размера пор CPG.
Кроме того, пористые стекла используются для изготовления имплантатов, особенно зубных, для чего порошок пористого стекла обрабатывают пластиками с образованием композита. Размер частиц и размер пор влияют на эластичность композита, обеспечивая соответствие оптических и механических свойств окружающим тканям, например, внешний вид и твердость зубной эмали.
Мембранная технология является еще одной важной областью применения, поскольку она позволяет образовывать пористые стекла в виде тромбоцитов. Гиперфильтрация морской и солоноватой воды и ультрафильтрация в «нисходящем процессе» — это всего лишь два. Кроме того, они часто подходят в качестве носителя для катализаторов. Например, реакция олефин – метатезис реализована на системе металл – оксид металла/пористое стекло.
Пористые стекла также можно использовать в качестве мембранных реакторов, опять же из-за их высокой механической, термической и химической стабильности. Мембранные реакторы могут улучшить конверсию реакций с ограниченным балансом, при этом один продукт реакции удаляется с помощью селективной мембраны. Например, при разложении сероводорода на катализаторе в стеклянном капилляре конверсия реакции была выше со стеклянным капилляром, чем без него.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ О. В. Мазурин (1984). Фазовое разделение в стекле . Северная Голландия. ISBN 0-444-86810-0 .
- ^ Вернер Фогель (1994). Химия стекла (2-е изд.). Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. ISBN 3-540-57572-3 .
- Уэс Тернер; Ф. Уинкс (1926). Журнал Общества технологии стекла . 102 .
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - Ф. Яновский; В. Хейер (1982). Пористые стекла – производство, свойства и применение . VEB Немецкое издательство базовой промышленности, Лейпциг.
- Ф. Фридель (2001). Дипломная работа, Галле.
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - Ф. Яновский (1993). Машиненмаркт . 99 : 28–33.
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - О. С. Молчанова (1957). Стекло и керамика . 14 :5–7.
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - Ф. Вольф; В. Хейер (1968). «Модифицированные пористые стекла как подложки в газовой хроматографии». Дж. Хроматогр . 35 : 489-496. дои : 10.1016/s0021-9673(01)82414-6 .
- Шуллер ГмбХ (1999). «Науки о жизни – больше, чем просто пористые очки (отчет пользователя)». ЛАБО9 : 26-28.
- ШОТТ Информация . 53 . 1990.
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - М. Германн (VitraBio GmbH) (2007). «Способ получения пористого стекла и стеклянного порошка и стеклянного материала для осуществления способа». WO 098778.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - П.В. Макмиллан; CE Мэтьюз (1976). «Микропористые стекла для обратного осмоса». Дж. Матер. Наука . 11 (7): 1187–1199. Бибкод : 1976JMatS..11.1187M . дои : 10.1007/bf00545135 . S2CID 137379816 .
- Ф. Яновский; А. Софианос; Ф. Вольф (1979). «Роль кислотности катализаторов MoO3–SiO2 и WO3–SiO2». Реагировать. Кинет. Катал. Летт . 12 (2): 443. дои : 10.1007/BF02071904 . S2CID 102283765 .
- Г. Р. Гавалас; К.Э. Мегирис; ЮЗ Нам (1989). «Нанесение пленок SiO2 с селективной проницаемостью по H2». хим. англ. Наука . 44 (9): 1829. doi : 10.1016/0009-2509(89)85125-5 .
- М. Кениг (2008). Производство и характеристика нанопористых монолитов на основе пористых стекол с оптимизированной геометрической формой для использования в сенсорной технике . Дипломная работа, Галле.