Физика и химия стекла, 2019, T. 45, № 3, стр. 298-300

Ранее в работе [1] была исследована кинетика процесса формирования пористой структуры стекол, образующейся в результате ионного обмена щелочных катионов стекла на катионы солевого расплава с меньшим ионным радиусом. Было показано, что при ионообменной обработке при температурах ниже температуры стеклования кремнекислородные группировки не могут изменять свою ориентацию и положение в пространстве. Замена ионов K⁺ на Na⁺ с меньшим ионным радиусом и, соответственно, с большей силой поля приводит к возникновению растягивающих напряжений, превышающих предел прочности. Воздействие этих напряжений на микродефекты структуры стекла приводит к его разрушению с образованием локальных разрывов. Солевой расплав проникает в микротрещины и смещает границу раздела фаз в глубину от первоначальной поверхности раздела, увеличивая площадь контакта. Механизм взаимодействия представляет собой сочетание диффузионного потока катионов с одномоментным массопереносом солевого расплава. Методами электронной, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской 3D-томографии определено строение образующейся пористой структуры в зависимости от состава стекла и солевого расплава, температуры и времени взаимодействия.

Задача настоящей работы состояла в определении геометрических параметров пористой структуры, образующейся в результате ионообменной обработки калиево-бариевого силикатного стекла в расплаве нитрата натрия. Концентрационное распределение оксидов после проведения ионного обмена было определено при помощи энергодисперсионной приставки к сканирующему электронному микроскопу S-3400N, на базе ресурсного цента “Геомодель”. Исследования пористой структуры проводились методом эталонной порометрии на установке – Автоматизированный эталонный порометр Porotech 3.1 на площадке Научного Парка СПбГУ в ресурсном центре “Термогравиметрические и калориметрические методы исследования”.

Функциональные возможности прибора позволяют определить интегральное и дифференциальное распределение объема пор как функции их радиуса в диапазоне от 0.3 до 3 × 10⁵ нм, средний радиус пор, удельный объем пор (пористость), площадь удельной поверхности (в диапазоне от 10^–3 до 10³ м²/см³), функцию распределения пор по размерам.

Исследование выполнено на образцах стекла состава 16.5K₂O ⋅ 13.6BaO ∙ 69.9SiO₂, мол. % (стекло KBS) в форме диска диаметром 23 мм, толщиной 2 мм. Состав стекла приведен по данным химического анализа, выполненного в ИХС РАН. Ионообменная обработка в расплаве NaNO₃ проводилась при температуре 400°С в течение одних суток. Было установлено, что выбранный режим приводит к сквозной проработке образца с полной заменой ионов калия на натрий, что подтверждается данными концентрационного распределения оксидов Na⁺ и K⁺, оксиды бария и кремния в обмене не участвуют (рис. 1). Таким образом, можно полагать, что после ионообменного взаимодействия и удаления солевого расплава обработкой в горячей воде пористая стеклообразная матрица имеет состав, близкий к 16.5Na₂O ∙ 13.6BaO ∙ 69.9SiO₂, мол. % (стекло NBS). Для определения параметров пористой структуры в качестве рабочей жидкости был выбран н-октан. Интегральная и дифференциальная порометрические кривые для образца NBS, полученного в ходе ионного обмена щелочных катионов K⁺(стекло)–Na⁺(расплав) приведены на рис. 2.

Рис. 1.

Концентрационное распределение оксида натрия в диффузионной паре KBS/NaNO₃, Т = 400°С, 24 ч.

Рис. 2.

Интегральная (а) и дифференциальная (б) порометрические кривые для пористой матрицы состава NBS, полученной ионообменной обработкой стекла KBS в расплаве NaNO₃ при 400°C за 24 ч.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что процесс ионообменной обработки калиево-бариевого силикатного стекла в расплаве NaNO₃ приводит к формированию стеклообразной матрицы с пористой структурой. Половину объема пористой структуры стекла занимают поры с размерами в диапазоне 1–4 нм. Остальной объем заполнен порами и трещинами с размерами 0.4–3 мкм. Определенные значения пористости по весу и объему составляют 0.023 см³/г и 0.063 см³/см³, площадь удельной поверхности 4.98 м²/г и 13.94 м²/см³ соответственно.