Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла

Натрийборосиликатное стекло состава (% (мас.)) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃ получено варкой стеклообразующих компонентов при температуре 1100 ºC. Дифференциальный термогравиметрический анализ стеклошихты подтвердил протекание сложных физико-химических процессов, сопутствующих силикато- и стеклообра...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Современные проблемы физического материаловедения
Дата:	2015
Автори:	Пархомей, А.Р., Пинчук, Н.Д., Сыч, Е.Е., Томила, Т.В., Колесниченко, В.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2015
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114565
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла / А.Р. Пархомей, Н.Д. Пинчук, Е.Е. Сыч, Т.В. Томила, В.Г. Колесниченко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 24. — С. 108-119. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860093963913920512
author	Пархомей, А.Р. Пинчук, Н.Д. Сыч, Е.Е. Томила, Т.В. Колесниченко, В.Г.
author_facet	Пархомей, А.Р. Пинчук, Н.Д. Сыч, Е.Е. Томила, Т.В. Колесниченко, В.Г.
citation_txt	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла / А.Р. Пархомей, Н.Д. Пинчук, Е.Е. Сыч, Т.В. Томила, В.Г. Колесниченко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 24. — С. 108-119. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Современные проблемы физического материаловедения
description	Натрийборосиликатное стекло состава (% (мас.)) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃ получено варкой стеклообразующих компонентов при температуре 1100 ºC. Дифференциальный термогравиметрический анализ стеклошихты подтвердил протекание сложных физико-химических процессов, сопутствующих силикато- и стеклообразованию, а также показал отсутствие фазовых процессов при повторной термообработке готового стекла. Полученные результаты согласуются с данными рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии. На основе формул аддитивности построена кривая вязкости стекла, температурные зависимости поверхностного натяжения, теплоем-кости, удельного электрического сопротивления. Кроме того, рассчитаны следующие физико-механические свойства полученного стекла: плотность, теплоемкость при низкой температуре, коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения, модуль упругости, прочность при сжатии и растяжении, коэффициент преломления. Натрійборосилікатне скло складу (% (мас.)) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃ отримано варкою склоутворюючих компонентів при температурі 1100 ºC. Диференціальний термогравіметричний аналіз склошихти підтвердив перебіг складних фізико-хімічних процесів, які супроводжують силікато- та склоутворення, а також показав відсутність фазових процесів при повторній термообробці готового скла. Отримані результати узгоджуються з даними рентгенофазового аналізу та ІЧ-спектроскопії. На основі формул адитивності побудовано криву в’язкості скла, температурні залежності поверхневого натягу, теплоємності, питомого електричного опору. Крім того, розраховано наступні фізико-механічні властивості отриманого скла: густина, теплоємність при низькій температурі, коефіцієнт теплопровідності, термічний коефіцієнт лінійного розширення, модуль пружності, міцність при стиску та розтязі, коефіцієнт заломлення. Sodium borosilicate glass (% (wt.) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃) was prepared by melting of glass-forming components at 1100 ºC. DTGA of glass charge confirmed the occurrence of complex physical and chemical processes related silicate and glass formation, and showed no phase processes during re-heat treatment of the prepared glass. Obtained results agree with XRD and IR spectroscopy data. Glass viscosity curve, temperature dependence of surface tension, heat capacity, electrical resistivity were plotted based on the additivity formulas. Moreover, it was calculated the following physical and mechanical properties of prepared glass: density, specific heat at low temperature, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, elastic modulus, compressive strength, tensile strength, refractive index.
first_indexed	2025-12-07T17:24:56Z
format	Article
fulltext	108 УДК 66.017:546.185'41:666.1:617 Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла А. Р. Пархомей, Н. Д. Пинчук, Е. Е. Сыч, Т. В. Томила, В. Г. Колесниченко Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, e-mail: osteo@materials.kiev.ua Натрийборосиликатное стекло состава (% (мас.)) 49,10SiO2—28,14Na2O— 22,76В2О3 получено варкой стеклообразующих компонентов при температуре 1100 ºC. Дифференциальный термогравиметрический анализ стеклошихты подтвердил протекание сложных физико-химических процессов, сопутствующих силикато- и стеклообразованию, а также показал отсутствие фазовых процессов при повторной термообработке готового стекла. Полученные результаты согласуются с данными рентгенофазового анализа и ИК- спектроскопии. На основе формул аддитивности построена кривая вязкости стекла, температурные зависимости поверхностного натяжения, теплоем- кости, удельного электрического сопротивления. Кроме того, рассчитаны следующие физико-механические свойства полученного стекла: плотность, теплоемкость при низкой температуре, коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения, модуль упругости, прочность при сжатии и растяжении, коэффициент преломления. Ключевые слова: натрийборосиликатное стекло, ИК-спектроскопия, рентгено- фазовый и дифференциальный термогравиметрический анализы, вязкость. Введение Возможность использования биоактивных стëкол в качестве импланта- ционных материалов впервые показана Л. Хенчем в 1969 году [1, 2]. В на- стоящее время разработанное Л. Хенчем стекло состава (% (мол.)) 45,0SiO2—24,5CaO—24,5Na2O—6P2O5 выпускается промышленностью под торговой маркой 45S5 или Bioglass®. Идея Л. Хенча стала началом развития медицинского материаловедения, в частности создания различ- ных биоактивных стёкол, ситаллов, керамики, стеклокерамики и композиционных материалов для восстановления дефектов костных тканей [3—6]. Впоследствии было показано, что, варьируя состав, можно в широких пределах изменять биоактивность стекла [7]. В последнее время значительный интерес получили благодаря прояв- лению биоактивных свойств боратные стёкла, для которых наблюдается полная трансформация в аморфный фосфат кальция с последующей кристаллизацией в гидроксиапатит [8—12]. Установлено, что В2О3 способствует более быстрой трансформации стекла, а точнее кремний- кислородного шара в апатит [13, 14], и создаёт благоприятные условия для жизнедеятельности клеток [15, 16]. Ранее нами получены и исследованы композиционные материалы на основе гидроксиапатита и натрийборосиликатного стекла, которые © А. Р. Пархомей, Н. Д. Пинчук, Е. Е. Сыч, Т. В. Томила, В. Г. Колесниченко, 2015 109 впоследствии успешно применены в качестве имплантационных материалов при замене дефектных участков костной ткани, возникающих при различных заболеваниях, в том числе инфекционного происхождения. Такие материалы готовили с использованием исходной смеси стекло- образующих компонентов стекол, которая при получении композитов превращалась в натрийборосиликатное стекло, а также реже — с исполь- зованием готового стекла состава (% (мас.) (25—29)Na2O — (20—28)B2O3 — (46—52)SiO2 [17—22]. Поскольку в большинстве случаев применяли именно исходную смесь стеклообразующих компонентов, важным остается вопрос получения и изучения свойств готового стекла с целью его дальнейшего использования для создания композиционных материалов с фосфатами кальция, в том числе и с гидроксиапатитом. Стекла системы Na2O—B2O3—SiO2 исследуются довольно давно с точки зрения их промышленного применения, поскольку они характеризуются повышенной химической стойкостью, а также низким коэффициентом термического расширения. Благодаря этим свойствам из боросиликатного стекла изготавливают зеркала для телескопов-рефлекторов, бытовую, медицинскую и химическую посуду. Наиболее известными торговыми марками боросиликатного стекла являются Pyrex, Simax, Borosil и др. Некоторые ученые акцентируют внимание на том, что актуально исследовать стекла системы Na2O—B2O3—SiO2 с позиций нанотехнологии, а также процессов микроликвации в этой системе и выщелачивания ликвирующих стекол для синтеза нанопористых стекол с целью создания новых материалов ("молекулярные насосы", нанореак- торы, системы фотокатализа и др.) [23]. Наряду с этим в системе Na2O—B2O3—SiO2 получены стеклообразные микросферы для ядерной медицины, которые могут быть высокоэффек- тивным средством транспортировки радиации к внутренним органам чело- века с целью лечения онкологических заболеваний [24]. Пористые микроша- рики изготавливали из стекол, в которых предварительно создана микро- или наноликвационная структура путем их кислотного выщелачивания. Для этого были синтезированы стекла в боросиликатной системе составов 60SiO2— (25—31)B2O3—(9—15)Na2O. Выбранные составы находятся в области метастабильной ликвации, что позволило сформировать путем прецизионных термообработок двухкаркасную взаимопроникающую структуру с регулируемым размером фазовых неоднородностей, способствующих последующему образованию равномерной пористой структуры стекла. Разработана технология синтеза водных растворов и шихт натрийборо- силикатной системы для изготовления водородонаполняемых микросфер с дополнительными компонентами, поглощающими рентгеновское и нейтронное излучение, удерживающими водород в свободном объёме структуры стёкол, повышающими их химическую стойкость и прочностные свойства [25]. Также на основе боросиликатных стекол получают матрицы для иммобилизации радиоактивных отходов, которые обладают высокой радиационной устойчивостью наряду с простой технологией их производства [26]. Поэтому цель работы — получить и изучить технологические и физико-механические свойства натрийборосиликатного стекла, используе- мого для создания биокомпозитов. 110 Материалы и методы исследования Для получения натрийборосиликатного стекла состава 49,10SiO2— 28,14Na2O—22,76В2О3 (% (мас.)) использованы стеклообразующие компо- ненты с размером частиц <160 мкм ("х. ч." и "ч. д. а.", "Химлаборреак- тив"), смешанные сухим способом с помощью рольганга. Изготовление фритты натрийборосиликатного стекла включало следующие этапы: І этап — варка стекла при T = 1100 ºC (выдержка τ = 1 ч) с последующим охлаждением на воздухе; ІІ этап — повторное расплавление полученного стекла при T = 1100 ºC (выдержка τ = 0,25 ч) до вязкотекущего состояния и последующая закалка в воде. Полученное стекло исследовано методом рентгенофазового анализа (РФА) с использованием рентгеновского дифрактометра Ultima IV (Rigaku, Япония), а также методом ИК-спектроскопии с помощью Фурье спектрофотометра ФСМ 1202 (ТОВ "Инфраспектр", Россия) в диапазоне частот 4000—400 см–1. Кроме того, дифференциальным термограви- метрическим методом (ДТГА) проанализирована стеклошихта и порошок готового стекла. Запись дериватограмм проводили на воздухе с помощью прибора Derivatograph System: F. Paulk, J. Paulk, L. Erdey. MOM, Budapest, Hungary. Скорость нагрева образца составляла 10 °С/мин. На основе формул аддитивности [27] рассчитаны кривая вязкости стекла, температурные зависимости поверхностного натяжения, тепло- ёмкости и удельного электрического сопротивления. Кроме того, определены также физико-механические свойства натрийборосиликатного стекла, такие как плотность, теплоемкость при низкой температуре, коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР), модуль упругости, прочность при сжатии и растяжении, коэффициент преломления. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены результаты ДТГА исходной шихты и готового натрийборосиликатного стекла. Дериватограммы шихты стекла подтвер- дили протекание сложных термодинамических процессов силикато- и стеклообразования во время его варки. Согласно исследованиям [28, 29], в натрийборосиликатной шихте при варке стекла происходят следующие реакции: 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O↑ + CO2↑ (60—200 ºC); в интервале температур 70—430 ºC поэтапно: H3BO3 → HBO2 + H2O↑, 2HBO2 + Na2CO3 → 2NaBO2 + H2O↑ + CO2↑, 4HBO2 → H2B4O7 + H2O↑, H2B4O7 + Na2CO3 → Na2B4O7 + H2O↑ + CO2↑, 3H2B4O7 → 4HB3O5 + H2O↑, 2HB3O5 + Na2CO3 → 2NaB3O5 + H2O↑ + CO2↑ 8HB3O5 → 3H2B8O13 + H2O; H2B8O13 + Na2CO3 → Na2B8O13 + H2O↑ + CO2↑; выше 400 ºC: H2B4O7 → 2B2O3 + H2O↑, 2B2O3 + Na2CO3 → Na2B4O7 + CO2↑. 111 Рис. 1. Результаты ДТГА шихты (а) и натрийборо- силикатного стекла (б): 1 — ТГ; 2 — ДТ; 3 — ДТГ. При 500 ºС реакции при участии Na2CO3 полностью заканчиваются и молекула Na2CO3 уже не существует. Шихта представляет собой гетерогенную систему, состоящую из жидкой фазы Na2O—n B2O3 и твердой фазы в виде зёрен кварца, который переходит в другую кристал- лическую модификацию, при этом его зерна увеличиваются в размере и растрескиваются. До 780 ºC происходят реакции при участии SiO2: 2NaBO2 + 2SiO2→ Na2B2Si2O8, Na2B4O7 + 2SiO2 → Na2B2Si2O8 + B2O3; а в интервале температур 700—900 ºC: Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2↑. Выше 900 ºC кварц растворяется в жидкой фазе и система превраща- ется в гомогенное стекло. Однако следует отметить, что все стадии варки стекла (силикато- и стеклообразование, осветление и гомогенизация) тесно Т, оС Т, оС а б 112 Рис. 2. Результаты РФА нат- рийборосиликатного стекла. связаны между собой и на практике происходят не в строгой последовательнос- ти, а одновременно, поэто- му такое разделение явля- ется условным. Ранее нами уже показано, что спекание прессованного образца из исходной шихты для получения натрийборосиликатного стекла состава (% (мол.)) 47,87SiO2—26,60Na2O—25,53В2О3 уже при 800 ºC приводит к расплав- лению исходных компонентов и, как следствие, к полной потере формы образца [19]. Кроме того, при исследовании квазисвободного спекания шихты натрийборосиликатного стекла в работе [30] установлено, что жидкая фаза появляется при 600 °С, а качественную конденсационную стекломассу из стеклообразующих компонентов можно получить уже при 935 ºС. Исследуемое в данной работе стекло системы SiO2—Na2O—В2О3 относится к легкоплавким, поэтому все основные процессы происходят во время первой термообработки и, как подтверждают результаты ДТГА готового стекла (рис. 1), при повторном его нагревании никакие фазовые изменения не зафиксированы. Аморфное состояние полученного натрийборосиликатного стекла под- тверждают результаты РФА (рис. 2), ДТГА и данные ИК-спектра (рис. 3). Анализ ИК-спектра готового натрийборосиликатного стекла показал, что он представлен широкими полосами поглощения, характерными для аморфных веществ. В области частот ν ~ 1500—1400 см-1 присутствуют асимметричные валентные колебания В—О в тригональной координации бора (ВО3 -) и деформационные колебания В—О—В с частотой ν ~ 701 см-1 [8, 31]. Полоса поглощения в области ν ~ 966 см-1 характеризует колебания тетраэдров ВО4 -. В области ν ~ 1150—950 см-1 зафиксированы полосы поглощения, характерные для валентных колебаний Si—O—Si, В—О—В, B—O—Si. Полосу с частотой ν ~ 470 см-1 относят к деформационным коле- баниям Si—O—Si. Кроме того, в спектре проявляются полосы ОН группы в диапазоне частот 3442—1635 см-1, которые относятся к валентным и деформационным колеба- ниям соответственно. Согласно данным работы [32], основными структур- ными единицами натрийборо- силикатных стекол являются силикатные тетраэдры с двумя, Рис. 3. ИК-спектр натрийборо- силикатного стекла. 2θ, град 113 тремя и четырьмя мостиковыми атомами кислорода, а также боро- кислородные треугольники ВО3 и тетраэдры ВО4, а ионы натрия координируют заряд немостикового кислорода в тетраэдрах SiO4 и четырехкоординированного бора в тетраэдрах ВО4. В соответствии с работой [33] вязкость расплавов — главный фактор, характеризующий их способность переходить в стеклообразное состояние. Вязкость является важнейшим технологическим свойством стекла в расплавленном состоянии. Зная еë величину, можно правильно выбрать температурный режим изготовления композиционных материалов. Зависимость логарифма вязкости полученного стекла от температуры, построенная на основе теоретических расчётов в соответствии с работой [27], представлена на рис. 4. Из практики стекловарения известно, что основными характеристиками процесса формования стекла являются рабочий интервал вязкости стекломассы и соответствующий ему темпе- ратурный интервал формования, а также время прохождения рабочего интервала вязкости. Для регулирования продолжительности всего процесса и отдельных его этапов нужно знать скорость твердения стекломассы и возможные технологические способы изменения этого параметра. При варке стекломасса поглощает большое количество газов, выделение которых имеет место при повторном нагревании, а при темпе- ратуре 800 ºC вязкость стекломассы остается еще достаточно высокой для полного удаления всех газоподобных продуктов из материала, поскольку полная дегазация происходит при значении логарифма вязкости, равном 2 [34, 35]. В таблице пред- ставлены характерные значения вязкости, рассчитанные для иссле- дуемого натрийборосиликатного Рис. 4. Зависимость логарифма вяз- кости натрийборосиликатного стекла от температуры. Характерные значения вязкости натрийборосиликатного стекла [35] Название технологического процесса Характерная вязкость, Па·с Логарифм вязкости Принятые обозначения Провар и осветление стекломассы ~102 2 — Начало выработки 103 3 — Размягчение стекла под собственной массой 4,5·107 7,6 Ts Температура спекания 109 9 Tf Размягчение стекла под нагрузкой 1011 11 — Верхняя температура отжига 1013 13 Tg Нижняя температура отжига 4·1014 14,6 — 114 стекла в зависимости от стадии технологического процесса. Температура Tg, которая является границей хрупкого состояния стекла для полученного нами натрийборосиликатного стекла, составляет ~330 ºC. Выше температуры 425 °C (Tf) стекло находится в вязкотекучем состоянии, а в интервале температур Tg—Tf стекло характеризуется пластическими свойствами. Температурный интервал выработки стекла находится в диапазоне, который соответствует вязкости 103—109 Па·с. Для полученного нами натрийборосиликатного стекла этот интервал составляет 420—840 ºC. Режимы варки и выработки изделий из стекла также определяются именно вязкостью стекломассы при определенной температуре. В случае используемого нами натрийборосиликатного стекла вязкость 102 Па·с (общепринятая для варки стекла) соответствует температуре варки ~950 ºC. При превышении этой температуры варка стекла идет значительно быстрее, что и было сделано в данной работе при использовании рабочей температуры 1100 ºC для получения стекла. Как известно, состав существенно влияет на вязкость стекла. В част- ности, кремнезем относится к оксидам, повышающим вязкость. Кроме того, SiO2 улучшает механические и химические свойства, уменьшает ТКЛР и плотность, повышает склонность к кристаллизации. Оксид натрия, наоборот, понижает температуру варки стекла, уменьшает склонность к кристаллизации и химическую стойкость, повышает плотность и термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Борный ангидрид является уникальным компонентом по своим флюсующим свойствам, способности уменьшать склонность к кристаллизации, улучшать химические и термические свойства. В зависимости от условий бор может переходить из одной координации в другую (3 и 4) и тогда изменяется его структурная роль и, следовательно, свойства — так называемая борная аномалия. Борный ангидрид значительно понижает вязкость стекла при высоких температурах, а при низких — при условии содержания В2О3 в количестве свыше 15% уменьшает ее существенно, а при содержании ниже 15% — увеличивает [34, 35]. Поверхностное натяжение, которое характеризует интенсивность межмолекулярных сил, действующих на поверхности расплава, является также очень важным свойством для технологического процесса получения стекла, поскольку его величина существенно влияет на гомогенизацию стек- ломассы, удаление пузырей, формование изделий и взаимодействие с огнеупорами. Поверхностное натяжение в большей степени зависит от состава стекла, чем от температуры. Для полученного нами стекла в соответствии с работами [34, 35] оксиды SiO2 и Na2O незначительно влияют на величину поверхностного натяжения, в то время как В2О3 относится к оксидам, понижающим его. На рис. 5 представлена зависимость поверхностного натяжения полученного стекла от темпера- туры, рассчитанная по данным работы [27]. Поверхностное натяжение промышленных стекол находится в диапазоне 0,155—0,470 Н/м [35]. Плотность стекла является важной величиной, которая фигурирует в теории строения стекла. Для большинства промышленных стекол плотность находится в диапазоне 2200—7000 кг/м3 в зависимости от состава, строения пространственного каркаса, теплового прошлого стекла, 115 Рис. 5. Зависимость поверхностного натя- жения натрийборосиликатного стекла от температуры. температуры окружающей среды в момент определения плотности стекла. Таким образом, полученное нами натрийборосиликатное стекло обладает пониженной плотностью (2593 г/см3), в то время как наи- меньшей (2203 кг/м3) — чистое квар- цевое стекло, остальные оксиды имеют следующие коэффициенты влияния на плотность: оксид натрия — 3,2 и оксид бора — 2,9. Как известно, изделия из стекла способны испытывать намного бóльшие нагрузки при сжатии по сравнению с растяжением. Прочность зависит от состава, температуры, состояния поверхности, размеров, скорости нагружения, условий испытаний, наличия дефектов, степени отжига и т. п. Теоретическая прочность — прочность идеального бездефектного гомогенного материала, который нагружается квазистатически при достаточно низких температурах. Поэтому реальная практическая проч- ность может значительно отличаться. Данные по физико-механическим свойствам натрийборосиликатного стекла получены расчётным методом. Прочность при сжатии нашего стекла (978 МПа) ниже средней, поскольку для многих стекол она составляет 500—2000 МПа [35]. В порядке убывающего влияния на предел прочности стекла при сжатии составные оксиды полученного стекла располагаются в следующей последова- тельности: SiO2, В2О3, Na2O. Прочность при растяжении для большинства стекол составляет 35—85 МПа [35], поэтому полученные нами данные (65 МПа) находятся в середине указанного диапазона. Стекло имеет слабовыраженные свойства упругого последействия (остаточной деформации). Модуль Юнга (модуль упругости) полученного нами стекла (51 535 МПа) невысокий в сравнении с другими промышленными стеклами, для которых он находится в пределах 48 000— 83 000 МПа [29]. Это обусловлено содержанием борного ангидрида в со- ставе стекла: В2О3, введенный вместо оксида кремния в количестве до 12% (мас.), увеличивает модуль упругости, в то время как для чистого кварцевого стекла модуль упругости составляет 71 400 МПа. Термическое расширение — одно из важнейших свойств, которое следует учитывать при пайке, получении покрытий и термостойких материалов и т. п. В зависимости от химического состава ТКЛР изменяется от 5,8·10-7 до 150·10-7 К-1. Расчётным методом установлено, что ТКЛР натрийборосиликатного стекла составляет 139·10-7 К-1. Наиболее существенно на величину ТКЛР влияют щелочные оксиды: чем больше их содержание в стекле, тем выше его термическое расширение. Однако с уменьшением содержания щелочных оксидов происходит повышение вязкости стекла и, как следствие, его температуры варки, поэтому для нейтрализации такого влияния в состав стекла вводят борный ангидрид. Температура, оС П о в ер х н о ст н о е н ат я ж ен и е, Н /м 116 Рис. 6. Зависимость средней (◊) и истинной (□) теплоемкости натрийборосиликатного стекла от температуры. Кроме ТКЛР, к теплофизичес- ким свойствам стëкол относят теп- лоёмкость и теплопроводность. Теплоемкость стëкол зависит от их химического состава и темпера- туры: с повышением температуры теплоёмкость увеличивается, при этом до температуры Tg — незначи- тельно, а в температурном интервале выше Tg — начинает быстро возрастать. На рис. 6 представлена зависимость теплоемкости получен- ного стекла от температуры. Для стекол различного состава теплоемкость при комнатной температуре находится в пределах 340—1050 Дж/кг·К [29]. Тяжелые оксиды понижают теплоемкость, а легкие — повышают. Для полученного нами стекла теплоемкость (при низкой температуре) достаточно высокая (810 Дж/кг·К), поскольку все используемые оксиды легкие и, следовательно, способствуют увеличению теплоемкости стекла. Теплопроводность стекла также зависит от химического состава и температуры. Наиболее высокие значения коэффициента теплопровод- ности характерны для кварцевого стекла. Модификаторы (в нашем случае оксиды бора и натрия) обладают свойством уменьшать теплопроводность стекла по сравнению с оксидом кремния. Наличие корреляции между коэффициентом теплопроводности и плотностью подтверждается экспериментально. Для силикатных стёкол коэффициент теплопро- водности изменяется в зависимости от состава от 0,6 до 1,34 Вт/(м·К). Коэффициент теплопроводности полученного натрийборосиликатного стекла составляет 1,13 Вт/(м·К). Как известно, стекло является диэлектрическим материалом, для оцен- ки этого свойства используют понятие удельного электрического сопро- тивления. При нормальной комнатной температуре стекло является хоро- шим изолятором с удельным сопротивлением, равным 1013—1017 Ом·см. При высоких температурах стекло становится хорошим проводником электрического тока, а удельное электрическое сопротивление снижается до 101—102 Ом·см [35]. На рис. 7 приведена зависимость удельного элек- трического сопротивления полученного натрийборосиликатного стекла от температуры. Электропроводность стекла также зависит от состава — наиболее сильно понижают электро- проводность стекол SiО2 и B2О3, которые входят в состав полученного нами стекла. Высокая прозрачность оксидных стёкол к видимому диапазону сделала Рис. 7. Зависимость удельного электри- ческого сопротивления натрийбороси- ликатного стекла от температуры. 117 их незаменимыми материалами в различных областях. Благодаря своей прозрачности, сочетающейся с высокой прочностью, низкой тепло- проводностью, химической устойчивостью, оксидные стëкла являются наиболее распространённым прозрачным твёрдым материалом. Один из показателей оптических свойств стëкол — показатель преломления, который в зависимости от состава силикатных стёкол может изменяться от 1,44 до 2,2 [34, 35], а полученное нами натрийборосиликатное стекло имеет показатель преломления 1,5 и относится к группе кронов, для которых показатель преломления находится в диапазоне 1,48—1,53nD. Выводы Натрийборосиликатное стекло состава (% (мас.)) 49,10SiO2— 28,14Na2O—22,76В2О3 изготовлено варкой при температуре 1100 ºC с повторной термообработкой при этой же температуре с получением фритты. Результаты ДТГА стеклошихты и готового стекла показали, что основные процессы при варке стекла происходят во время первого этапа варки и отсутствуют при его повторном нагревании. Рентгенофазовый анализ и ИК-спектроскопия подтвердили аморфность полученного материала. На основе расчёта кривой вязкости установлено, что для полученного натрийборосиликатного стекла Tg ~ 330 ºC, температурный интервал выработки стекла составляет 420—840 ºC, теоретически определённая температура варки — ~950 ºC. Показано, что расчетные величины физико-механических и теплофизических свойств являются типичными для силикатных стёкол. 1. Hench L. L. Bonding mechanisms at the interface of ceramic prosthetic materials / [L. L. Hench, R. J. Splinter, W. C. Allen, T. K. Greenlee] // J. Biomed. Mater. Res. — 1972. — 5 (6). — Р. 117—141. 2. Hulbert S. F. History of bioceramics / [S. F. Hulbert, L. L. Hench, D. Forbers, L. S. Bowman] // Ceram. Int. — 1985. — 11 (4). — Р. 150. 3. Jones J. R. Review of bioactive glass: From Hench to hybrids // Acta Biomater. — 2013. — 9 (1). — Р. 4457—4486. 4. Kokubo T. Bioactive glass ceramics: properties and applications // Biomaterials. — 1991. — 12 (2). — Р. 155—163. 5. Champion E. Sintering of calcium phosphate bioceramics // Acta Biomater. — 2013. — 9 (4). — P. 5855—5875. 6. Fu Q. Bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and future perspectives / [Q. Fu, E. Saiz, M. N. Rahaman, A. P. Tomsia] // Mater. Sci. Eng. C. — 2011. — 31 (7). — P. 1245—1256. 7. Hench L. Bioceramics // J. Amer. Ceram. Soc. — 1998. — 81 (7). — P. 1705—1728. 8. Ouis M. A. Corrosion mechanism and bioactivity of borate glasses analogue to Hench’s bioglass / M. A. Ouis, A. M. Abdelghany, H. A. E. Batal // Proc. Appl. Ceram. — 2012. — 6 (3). — P. 141—149. 9. Saranti A. Bioactive glasses in the system CaO—B2O3—P2O5: Preparation, structural study and in vitro evaluation / A. Saranti, I. Koutselas, M. A. Karakassides // J. Non-Cryst. Solids. — 2006. — 352 (5). — P. 390—398. 10. Liang W. Sodium silicate bonded borate glass scaffolds for tissue engineering / [W. Liang, M. Wang, D. E. Day, C. Russel] // J. Mater. Sci. — 2007. — 42. — P. 10138—10142. 11. Han X. Reaction of sodium calcium borate glasses to form hydroxyapatite / X. Han, D. E. Day // J. Mater. Sci. : Mater. Med. — 2007. — 18. — P. 1837—1847. 118 12. Han X. Evaluation of hydroxyapatite microspheres made from a borate glass to separate protein mixtures / [X. Han, M. Du, Y. Ma, D. E. Day] // J. Mater. Sci. — 2008. — 43. — P. 5618—5625. 13. Huang W. Kinetics and mechanisms of the conversion of silicate (45S5), borate, and borosilicate glasses to hydroxyapatite in dilute phosphate solutions / [W. Huang, D. E. Day, K. Kittiratanapiboon, M. N. Rahaman] // J. Mater. Sci. : Mater. Med. — 2006. — 17. — P. 583—596. 14. Ning J. Synthesis and in vitro bioactivity of a borate-based bioglass / [J. Ning, A. Yao , D. Wang et al.] // Mater. Lett. — 2007. — 61 (30). — P. 5223—5226. 15. Marion N. W. Borate glass supports the in vitro osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells / [N. W. Marion, W. Liang, G. C. Reilly et al.] // Mech. Adv. Mater. Struc. — 2005. — 12. — P. 239—246. 16. Liang W. Bioactive borate glass scaffold for bone tissue engineering / [W. Liang, M. N. Rahaman, D. E. Day et al.] // J. Non-Cryst. Solids. — 2008. — 354 (15—16). — P. 1690—1696. 17. Подрушняк Є. П. Нові біокомпозити на основі кісткового гідроксиапатиту та можливості їх використання в біології та медицині / [Є. П. Подрушняк, Л. А. Іванченко, Т. І. Фальковська та ін.] // Проблеми остеології. — 1998. — 1 (2—3). — С. 98—100. 18. Іванченко Л. А. Структура і деякі властивості високопористої склокераміки, яка вміщує біогенний гідроксиапатит / [Л. А. Іванченко, Т. І. Фальковська, Н. В. Да- ниленко та ін.] // Порошковая металлургия. — 1999. — № 9/10. — С. 24—31. 19. Пінчук Н. Д. Процеси пресування та спікання порошкових сумішей на основі гідроксиапатиту і склоутворюючих компонентів і розробка нового компози- ційного біоматеріалу : Автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.16.06. — Київ, 2003. — 20 с. 20. Івченко Д. В. Тактика лікування патологічних переломів кісток кінцівок у хворих з пухлиноподібними захворюваннями та доброякісними пухлинами // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2006. — 4. — С. 12—15. 21. Лузин В. И. Химический состав различных отделов длинных трубчатых костей при имплантации в них биогенного гидроксиапатита / [В. И. Лузин, С. В. Пе- тросянц, Ю. С. Пляскова и др.] // Травма. — 2009. — 10 (3). — С. 346—350. 22. Сыч Е. Е. Влияние температуры спекания на свойства композитов биогенный гидроксиапатит/стекло / Е. Е. Сыч, Н. Д. Пинчук, Л. А Иванченко // Порошковая металлургия. — 2010. — № 3/4. — С. 38—45. 23. Нарцев В. М. Нанопористые стеклообразные темплаты на основе микроликвирующих стекол в системе Na2O—B2O3—SiО2 : Автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.17.11. — Белгород, 2010. — 16 с. 24. http://www.muctr.ru/univsubs/scidept/intlab/science/microspheres.php. ("О разра- ботках Международной лаборатории функциональных материалов на основе стекла РХТУ им. Д. И. Менделеева по направлению "Сфероидизованные материалы на основе стекла для ядерной медицины", выполненных в 2010— 2012 гг.") 25. Медведев Е. Ф. Технология и методология изготовления водородо- наполняемых микросфер на основе силикатных и боросиликатных систем : Афтореф. дис. .... д-ра. техн. наук : 05.17.11. — Белгород, 2013. — 42 с. 26. Еремяшев В. Е. Влияние кальция и бария на поведение воды в натриевом боросиликатном стекле / В. Е. Еремяшев, Л. А. Шабунина, Т. П. Салова // Вестник ЮУрГУ. — 2012. — 1. — С. 23—28. 27. Матвеев М. А. Расчёты по химии и технологии стекла /М. А. Матвеев, Г. М. Мат- веев, Б. Н. Френкель. — М. : Изд-во лит-ры по строительству, 1972. — 240 с. 28. Безбородов М. А. Синтез и строение силикатных стёкол (основы стекловедения). — Минск : Наука и техника, 1968. — 452 с. 119 29. Поляк В. В. Технология строительного и технического стекла : (Учебник для техникумов) / [В. В. Поляк, П. Д. Саркисов, В. Ф. Солинов, М. А. Царицын]. — М. : Стройиздат, 1983. — 432 с. 30. Сич О. Є. Еволюція структури та властивостей композиційних матеріалів на основі фосфатів кальцію, отриманих рідкофазним спіканням : Автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.02.01. — Київ, 2010. — 20 с. 31. Gautam C. A Review on infrared spectroscopy of borate glasses with effects of different additives / C. Gautam, A. K. Yadav, A. K. Singh // ISRN. — 2012. — Ceramics. — Р. 1—17. 32. Еремяшев В. Е. Влияние воды на структуру щелочных боросиликатных стекол / [В. Е. Еремяшев, Е. А. Трофимов, А. Н. Аникеев и др.] // Вестник ЮУрГУ. — 2012. — 36. — С. 24—28. 33. Аппен А. А. Химия стекла. — Л. : Химия, 1974. — 352 с. 34. Технология стекла (специальный курс) / Под ред. И. И. Китайгородского. — М.—Л. : Гос. изд-во легкой промышленности, 1939. — Т. 1 : Технология стекломассы. — 583 с. 35. Справочник по производству стекла. В 2 т. / Под ред. И. И. Китайгородского. — М. : Гос. изд-во лит-ры по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1963. — Т. 1. — 1026 с. Отримання та основні властивості натрійборосилікатного скла О. Р. Пархомей, Н. Д. Пінчук, О. Є. Сич, Т. В. Томила, В. Г. Колесніченко Натрійборосилікатне скло складу (% (мас.)) 49,10SiO2—28,14Na2O—22,76В2О3 отримано варкою склоутворюючих компонентів при температурі 1100 ºC. Диференціальний термогравіметричний аналіз склошихти підтвердив перебіг складних фізико-хімічних процесів, які супроводжують силікато- та склоутворення, а також показав відсутність фазових процесів при повторній термообробці готового скла. Отримані результати узгоджуються з даними рентгенофазового аналізу та ІЧ-спектроскопії. На основі формул адитивності побудовано криву в’язкості скла, температурні залежності поверхневого натягу, теплоємності, питомого електричного опору. Крім того, розраховано наступні фізико-механічні властивості отриманого скла: густина, теплоємність при низькій температурі, коефіцієнт теплопровідності, термічний коефіцієнт лінійного розширення, модуль пружності, міцність при стиску та розтязі, коефіцієнт заломлення. Ключові слова: натрійборосилікатне скло, ІЧ-спектроскопія, рентгенофазовий та диференціальний термогравіметричний аналізи, в’язкість. Preparation and basic properties of sodium borosilicate glass O. R. Parkhomey, N. D. Pinchuk, O. E. Sych, T. V. Tomila, V. G. Kolesnichenko Sodium borosilicate glass (% (wt.) 49,10SiO2—28,14Na2O—22,76В2О3) was prepared by melting of glass-forming components at 1100 ºC. DTGA of glass charge confirmed the occurrence of complex physical and chemical processes related silicate and glass formation, and showed no phase processes during re-heat treatment of the prepared glass. Obtained results agree with XRD and IR spectroscopy data. Glass viscosity curve, temperature dependence of surface tension, heat capacity, electrical resistivity were plotted based on the additivity formulas. Moreover, it was calculated the following physical and mechanical properties of prepared glass: density, specific heat at low temperature, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, elastic modulus, compressive strength, tensile strength, refractive index. Keywords: sodium borosilicate glass, IR spectroscopy, X-ray diffraction analysis, differential thermo gravimetric analysis, viscosity.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114565
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	XXXX-0073
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:24:56Z
publishDate	2015
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
record_format	dspace
spelling	Пархомей, А.Р. Пинчук, Н.Д. Сыч, Е.Е. Томила, Т.В. Колесниченко, В.Г. 2017-03-09T17:40:59Z 2017-03-09T17:40:59Z 2015 Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла / А.Р. Пархомей, Н.Д. Пинчук, Е.Е. Сыч, Т.В. Томила, В.Г. Колесниченко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 24. — С. 108-119. — Бібліогр.: 35 назв. — рос. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114565 66.017:546.185'41:666.1:617 Натрийборосиликатное стекло состава (% (мас.)) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃ получено варкой стеклообразующих компонентов при температуре 1100 ºC. Дифференциальный термогравиметрический анализ стеклошихты подтвердил протекание сложных физико-химических процессов, сопутствующих силикато- и стеклообразованию, а также показал отсутствие фазовых процессов при повторной термообработке готового стекла. Полученные результаты согласуются с данными рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии. На основе формул аддитивности построена кривая вязкости стекла, температурные зависимости поверхностного натяжения, теплоем-кости, удельного электрического сопротивления. Кроме того, рассчитаны следующие физико-механические свойства полученного стекла: плотность, теплоемкость при низкой температуре, коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения, модуль упругости, прочность при сжатии и растяжении, коэффициент преломления. Натрійборосилікатне скло складу (% (мас.)) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃ отримано варкою склоутворюючих компонентів при температурі 1100 ºC. Диференціальний термогравіметричний аналіз склошихти підтвердив перебіг складних фізико-хімічних процесів, які супроводжують силікато- та склоутворення, а також показав відсутність фазових процесів при повторній термообробці готового скла. Отримані результати узгоджуються з даними рентгенофазового аналізу та ІЧ-спектроскопії. На основі формул адитивності побудовано криву в’язкості скла, температурні залежності поверхневого натягу, теплоємності, питомого електричного опору. Крім того, розраховано наступні фізико-механічні властивості отриманого скла: густина, теплоємність при низькій температурі, коефіцієнт теплопровідності, термічний коефіцієнт лінійного розширення, модуль пружності, міцність при стиску та розтязі, коефіцієнт заломлення. Sodium borosilicate glass (% (wt.) 49,10SiO₂—28,14Na₂O—22,76В₂О₃) was prepared by melting of glass-forming components at 1100 ºC. DTGA of glass charge confirmed the occurrence of complex physical and chemical processes related silicate and glass formation, and showed no phase processes during re-heat treatment of the prepared glass. Obtained results agree with XRD and IR spectroscopy data. Glass viscosity curve, temperature dependence of surface tension, heat capacity, electrical resistivity were plotted based on the additivity formulas. Moreover, it was calculated the following physical and mechanical properties of prepared glass: density, specific heat at low temperature, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, elastic modulus, compressive strength, tensile strength, refractive index. ru Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Современные проблемы физического материаловедения Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла Отримання та основні властивості натрійборосилікатного скла Preparation and basic properties of sodium borosilicate glass Article published earlier
spellingShingle	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла Пархомей, А.Р. Пинчук, Н.Д. Сыч, Е.Е. Томила, Т.В. Колесниченко, В.Г.
title	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
title_alt	Отримання та основні властивості натрійборосилікатного скла Preparation and basic properties of sodium borosilicate glass
title_full	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
title_fullStr	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
title_full_unstemmed	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
title_short	Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
title_sort	получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114565
work_keys_str_mv	AT parhomeiar polučenieiosnovnyesvoistvanatriiborosilikatnogostekla AT pinčuknd polučenieiosnovnyesvoistvanatriiborosilikatnogostekla AT syčee polučenieiosnovnyesvoistvanatriiborosilikatnogostekla AT tomilatv polučenieiosnovnyesvoistvanatriiborosilikatnogostekla AT kolesničenkovg polučenieiosnovnyesvoistvanatriiborosilikatnogostekla AT parhomeiar otrimannâtaosnovnívlastivostínatríiborosilíkatnogoskla AT pinčuknd otrimannâtaosnovnívlastivostínatríiborosilíkatnogoskla AT syčee otrimannâtaosnovnívlastivostínatríiborosilíkatnogoskla AT tomilatv otrimannâtaosnovnívlastivostínatríiborosilíkatnogoskla AT kolesničenkovg otrimannâtaosnovnívlastivostínatríiborosilíkatnogoskla AT parhomeiar preparationandbasicpropertiesofsodiumborosilicateglass AT pinčuknd preparationandbasicpropertiesofsodiumborosilicateglass AT syčee preparationandbasicpropertiesofsodiumborosilicateglass AT tomilatv preparationandbasicpropertiesofsodiumborosilicateglass AT kolesničenkovg preparationandbasicpropertiesofsodiumborosilicateglass

Получение и основные свойства натрийборосиликатного стекла

Репозитарії

Схожі ресурси