Пористое стекло

Пористое стекло — это стекло , которое включает поры, обычно в нанометровом или микрометровом диапазоне, обычно получаемые одним из следующих процессов: посредством метастабильного разделения фаз в боросиликатных стеклах (например, в их системе SiO2 _- B2O3 _- Na2O ₎ с последующей жидкостной экстракцией одной из образовавшихся фаз; ^{[1] [} ₂ ^] посредством золь-гель процесса ; или просто путем спекания стеклянного порошка .

Специфические 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 как модельная система. Они демонстрируют высокую химическую, термическую и механическую стойкость, что является результатом жесткой и несжимаемой кремниевой сетки. Их можно производить высокого качества и с размерами пор от 1 нм до любого желаемого значения. Простая 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 гранул, но и в виде более крупных кусков практически любой заданной пользователем формы и текстуры.

В первой половине 20-го века Тернер и Уинкс обнаружили, что боросиликатные стекла могут выщелачиваться кислотами. Их исследования показали, что не только химическая стабильность может зависеть от термической обработки, но также и плотность , показатель преломления , тепловое расширение и вязкость . В 1934 году Нордберг и Худ ^{[ необходимо разъяснение ]} обнаружили, что щелочные боросиликатные стекла разделяются на растворимую (богатую боратом натрия) и нерастворимую (богатую кремнием) фазы, если стекло подвергается термической обработке. Путем экстракции с использованием минеральных кислот растворимая фаза может быть удалена, а пористая сетка кремнезема остается. В процессе спекания после экстракции образуется кварцевое стекло, свойства которого приближаются к свойствам кварцевого стекла . Производство таких стекол с высоким содержанием кремния было опубликовано как процесс VYCOR .

В научной литературе пористое стекло — это пористый материал, содержащий около 96% кремнезема , который получают путем кислотной экстракции или комбинированной кислотной и щелочной экстракции соответственно из разделенных на фазы щелочно-боросиликатных стекол , и который имеет трехмерную взаимосвязанную пористую микроструктуру. Для коммерчески доступных пористых стекол используются термины пористое стекло VYCOR (PVG) и стекло с контролируемыми порами (CPG). Структура пор образована системой синдетических каналов и имеет удельную поверхность от 10 до 300 м2 ^/ г. Пористые стекла могут быть получены путем кислотной экстракции разделенных на фазы щелочно-боросиликатных стекол или с помощью золь-гель-процесса. Регулируя параметры производства, можно производить пористое стекло с размером пор от 0,4 до 1000 нм в очень узком распределении размеров пор. Вы можете создавать различные формы, например, нерегулярные частицы (порошок, гранулят), сферы, пластины, палочки, волокна, сверхтонкие мембраны, трубки и кольца.

Предпосылкой для серийного производства пористого стекла является знание параметров, определяющих и контролирующих структуру. Состав исходного стекла является параметром, контролирующим структуру. Изготовление исходного стекла, в основном процесс охлаждения, температура и время термической обработки, а также последующая обработка являются параметрами, определяющими структуру. Фазовая диаграмма для натриевоборосиликатного стекла показывает разрыв смешиваемости для определенных составов стекла.

Верхняя критическая температура составляет около 760 °C, а нижняя около 500 °COS Молчанова была первым человеком, который точно описал определение распада. Для разделения фаз начальный состав стекла должен находиться в области смешивания тройного Na
₂О - Б
₂О
₃- SiO
₂Система стекла. При термической обработке образуется взаимопроникающая структура, которая является результатом спинодального распада фазы бората, богатого натрием, и фазы кремния. Эта процедура называется первичным распадом . Используя исходный состав стекла, который лежит на линии аномалии, можно достичь максимального распада, который практически не вызывает напряжений.

Поскольку обе фазы имеют различную устойчивость к воде, минеральным кислотам и растворам неорганических солей, богатая натрием боратная фаза в этих средах может быть удалена путем экстракции. 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 областей 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 борате, когда время и температура термической обработки увеличиваются. Этот процесс называется вторичным разложением. Коллоидный кремнезем осаждается в макропорах во время экстракции и скрывает реальную структуру пор. Растворимость коллоидного кремнезема в щелочных растворах выше, чем у сетчатого кремнезема, и поэтому его можно удалить с помощью последующей щелочной обработки.

Благодаря высокой механической, термической и химической стабильности, переменному производству размеров пор с небольшим распределением размеров пор и разнообразию модификаций поверхности, возможен широкий спектр применений. Тот факт, что пористые стекла могут быть изготовлены во многих различных формах, является еще одним преимуществом для применения в промышленности, медицине, фармацевтических исследованиях, биотехнологии и сенсорной технике.

Пористые стекла идеально подходят для разделения материалов из-за малого распределения размеров пор. Вот почему они используются в газовой хроматографии, тонкослойной хроматографии и аффинной хроматографии. Адаптация неподвижной фазы для задачи разделения возможна путем определенной модификации поверхности пористого стекла.

В биотехнологии пористые стекла имеют преимущества для очистки ДНК и иммобилизации ферментов или микроорганизмов. Стекло с контролируемыми порами (CPG) с размером пор от 50 до 300 нм также отлично подходит для синтеза олигонуклеотидов . В этом применении линкер, нуклеозид или ненуклеозидное соединение, сначала присоединяется к поверхности CPG. Длина цепи полученных олигонуклеотидов зависит от размера пор CPG.

Кроме того, пористые стекла используются для изготовления имплантатов, особенно зубных имплантатов, для чего порошок пористого стекла обрабатывается с пластмассами для образования композита. Размер частиц и размер пор влияют на эластичность композита, чтобы соответствовать оптическим и механическим свойствам окружающих тканей, например, внешнему виду и твердости зубной эмали.

Мембранная технология, способная образовывать пористые стекла в виде пластинок, является еще одной важной областью применения. Гиперфильтрация морской и солоноватой воды и ультрафильтрация в «нисходящем процессе» — это всего лишь два из них. Кроме того, они часто подходят в качестве носителя для катализаторов. Например, метатезис олефина был реализован в системе металл — оксид металла/пористое стекло.

Пористые стекла также могут использоваться в качестве мембранных реакторов, опять же из-за их высокой механической, термической и химической стабильности. Мембранные реакторы могут улучшить конверсию ограниченных равновесных реакций, в то время как один продукт реакции удаляется селективной мембраной. Например, при разложении сероводорода на катализаторе в стеклянном капилляре конверсия по реакции была выше со стеклянным капилляром, чем без него.

• Викор
• Наноканальные стеклянные материалы

• У. С. Тернер; Ф. Уинкс (1926). Журнал Общества технологии стекла . 102 . {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
• Ф. Яновский; В. Хейер (1982). Poröse Gläser – Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen . VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Лейпциг.
• Ф. Фридель (2001). Дипломарбайт, 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). «Модификация пор в газовой хроматографии». Дж. Хроматогр . 35 : 489–496 . doi : 10.1016/s0021-9673(01)82414-6.
• Шуллер ГмбХ (1999). «Науки о жизни – Mehr als nur poröse Gläser (Anwenderbericht)». ЛАБО9 : 26–28 .
• Информация SCHOTT . 53. 1990. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
• М. Германн (VitraBio GmbH) (2007). «Verfahren zur Herstellung eines porösen Glases und Glaspulpvers und Glaswerkstoff zum Ausführen des Verfahrens». WO 098778. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
• PW McMillan; CE Matthews (1976). «Микропористые стекла для обратного осмоса». J. Mater. Sci . 11 (7): 1187– 1199. Bibcode : 1976JMatS..11.1187M. doi : 10.1007/bf00545135. S2CID  137379816.
• F. Janowski; A. Sophianos; F. Wolf (1979). "Роль кислотности катализаторов MoO3−SiO2 и WO3−SiO2". React. Kinet. Catal. Lett . 12 (2): 443. doi :10.1007/BF02071904. S2CID  102283765.
• GR Gavalas; CE Megiris; SW Nam (1989). "Осаждение пленок SiO2 с селективной проницаемостью для водорода". Chem. Eng. Sci . 44 (9): 1829. doi :10.1016/0009-2509(89)85125-5.
• М. Кениг (2008). Herstellung und Charakterisierung nanoporöser Monolithe auf Basis poröser Gläser mit optimierter geometrischer Form zur Anwendung in der Sensortechnik . Дипломарбайт, Галле.

• Фазовое разделение в боросиликатных и щелочноземельных силикатных стеклах