Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634620)
Контекстум
.
Физика и химия стекла

Физика и химия стекла №4 2017 (1265,50 руб.)

0   0
Страниц96
ID556313
Физика и химия стекла .— 2017 .— №4 .— 96 с. — URL: https://rucont.ru/efd/556313 (дата обращения: 19.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Определены доли атомов кремния в тройной и четверной координациях, а также концентрации различного типа силикатных Qn единиц. <...> Оптимизация свойств боросиликатных стекол требует глубокого понимания их структуры, в особенности механизмов внедрения и распределения различных химических компонентов в неупорядоченной сетке стекла. <...> Традиционно при описании взаимосвязи строения и свойств стекол различного химического состава особое внимание уделяется их локальной структуре — типу и концентрации различных структурных единиц, образующих неупорядоченную сетку стекла [1—8]. <...> Локальная структура боросиликатных стекол характеризуется присутПоступило 27 февраля 2017 г. 345 Таблица 1 а также значения параметров R = [Cs2O]/[B2O3]и K = [SiO2]/[B2O3] изученных стекол Номинальный состав (мол. %), температура стеклования Tg [9], Образец Состав, мол. <...> В данном исследовании акцент был сделан на количественном определении соотношения долей трех- и четырехкоординированных атомов бора и концентрации различного типа силикатных структурных единиц. <...> Номинальные составы (мол. %) изученных стекол, Ш и BO3 2– их условные обозначения и температуры стеклования (Tg), ранее определенные по данным дифференциальной сканирующей калориметрии [9], а также значения параметров R = [Cs2O]/[B2O3]и K = [SiO2]/[B2O3] (концентрация в мол. %), представлены в табл. <...> Несмотря на то что по мере замещения В2О3 оксидом цезия интенсивность сигналов убывает, все они содержат два не полностью разрешенных сигнала, которые соответствуют присутствию в структуре стекол атомов бора в тройной и четверной координациях. <...> Узкий, симметричный и наиболее интенсивный пик в области –1 млн–1 указывает на присутствие в структуре стекол тетраэдров [BШ4]–, в то время как менее интенсивный, широкий сигнал сложной формы (за счет квадрупольного уширения второго порядка) соответствует атомам бора в тройной координации [3, 4, 7, 10, 11]. <...> Концентрация четырехкоординированных атомов бора была вычислена через площади <...>
Физика_и_химия_стекла_№4_2017.pdf
2017 ФИЗИКА И ХИМИЯ СТЕКЛА Том 43, ¹ 4 © Осипов À. À.*, Еремяшев Â. Å.*, **, Мазур À. Ñ.***, Толстой Ï. Ì.***, Осипова Ë. Ì.* СТРУКТУРА ЦЕЗИЕВОБОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ ПО ДАННЫМ ЯМР СПЕКТРОСКОПИИ * Институт минералогии УрО РАН, Россия, 456317, Челябинская обл., Миасс, тер. Ильменский заповедник, e-mail: 100123@mineralogy.ru ** Южно-Уральский государственный университет, Ðîññèÿ, 454080, Челябинск, ïð. Ëåíèíà, 76 ***Ресурсный центр «Магнитно-резонасные методы исследования» Научного парка СПбГУ, Ðîññèÿ, 198504, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Университетский ïð., 26 В работе представлены результаты исследования локальной структуры ряда цезиевоборосиликатных стекол с различным соотношением оксидов цезия и бора при фиксированном содержании SiO2 (50 ìîë. %) методом 11Â, 29Si и 133Cs MAS ЯМР спектроскопии. Определены доли атомов кремния в тройной и четверной координациях, а также концентрации различного типа силикатных Qn единиц. Выполнено сравнение экспериментальных данных с предсказаниями модели Делла и термодинамического моделирования для натриевоборосиликатных аналогов исследованных стекол. Ключевые слова: боросиликатные стекла, ЯМР спектроскопия, структура. Введение. Стекла на основе оксидов бора и кремния нашли широкое практическое применение во многих отраслях промышленности. В частности, боросиликатные стекла используются в качестве матриц для иммобилизации радиоактивных отходов. Использование этих стекол в качестве матричных материалов обусловлено их высокой химической и физической стойкостью, хорошей стеклообразующей способностью, высокой емкостью по отношению к внедрению в них различных химических элементов, а также простотой синтеза и сравнительно низкой стоимостью исходных материалов. Оптимизация свойств боросиликатных стекол требует глубокого понимания их структуры, в особенности механизмов внедрения и распределения различных химических компонентов в неупорядоченной сетке стекла. Одним из основных радионуклеидов, присутствующих в отходах ядерных реакторов, является изотоп 137Cs, поэтому в данной работе мы уделили особое внимание изучению структуры цезиевоборосиликатных стекол с фиксированным содержанием SiO2 и варьируемыми концентрациями B2O3 èCs2O. Традиционно при описании взаимосвязи строения и свойств стекол различного химического состава особое внимание уделяется их локальной структуре — типу и концентрации различных структурных единиц, образующих неупорядоченную сетку стекла [1—8]. Локальная структура боросиликатных стекол характеризуется присутПоступило 27 февраля 2017 ã. 345
Стр.1
Таблица 1 а также значения параметров R = [Cs2O]/[B2O3]è K = [SiO2]/[B2O3] изученных стекол Номинальный состав (мол. %), температура стеклования Tg [9], Образец Ñîñòàâ, ìîë. % 15Cs35B 15Cs2O · 35B2O3 · 50SiO2 25Cs25B 25Cs2O · 25B2O3 · 50SiO2 35Cs15B 35Cs2O · 15B2O3 · 50SiO2 Tg,°C RK 569 629 508 0.43 1.00 2.33 1.43 2.00 3.33 ствием боратных тетраэдров [BШ4]– (Ш — мостиковый атом кислорода) и треугольников ÂØ3,ÂØ2Ζ, BO2 Ш и BO3 , а также кремнекислородных тетраэдров (так назы2– 3– ваемых Qn единиц), различающихся по числу мостиковых атомов кислорода n. В данном исследовании акцент был сделан на количественном определении соотношения долей трех- и четырехкоординированных атомов бора и концентрации различного типа силикатных структурных единиц. Экспериментальная часть. Номинальные составы (мол. %) изученных стекол, их условные обозначения и температуры стеклования (Tg), ранее определенные по данным дифференциальной сканирующей калориметрии [9], а также значения параметров R = [Cs2O]/[B2O3]è K = [SiO2]/[B2O3] (концентрация в ìîë. %), представлены в табл. 1. Стекла были синтезированы обычным методом закалки расплавов. В качестве исходных реагентов использовали реактивы SiO2,В2О3 иCs2CO3 квалификации «чда», «осч» и «хч» соответственно. Более подробно условия синтеза представлены в работе [9]. Измерение спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) было выполнено на оборудовании ресурсного центра «Магнитно-резонансные методы исследования» Научного парка СПбГУ. Для регистрации спектров был использован спектрометр Bruker 400 МГц WB Avance III с индукцией внешнего постоянного магнитного поля 9.4 Òë, резонансной частотой 128.4, 79.5 и 57.5 МГц для ядер 11Â, 29Si и 133Cs соответственно. Частота вращения образцов под магическим углом (MAS) составляла 20 кГц. Для размещения предварительно растертого образца использовали ротор из оксида циркония диаметром 3.2 мм. Во всех случаях в ротор помещали примерно одинаковое количество вещества. Для возбуждения ядер использовали одноимпульсную последовательность импульсов длительностью 0.2,2и5мкси временем задержки 2, 2.5 и 0.5 с для ядер 11Â, 29Si и 133Cs соответственно. Число накоплений составило 32, 32 000 и 512 для 11Â, 29Si и 133Cs соответственно. Химический сдвиг вычислялся как миллионная часть (млн–1) относительно резонансной частоты реактивов Í3ÂÎ3(11Â), (CH3)4Si(29Si) и CsNO3(133Cs), взятых в качестве стандартов. Все спектры измеряли при комнатной температуре. Результаты и их обсуждение. На рис. 1 показаны 11В ЯМР спектры трех образцов. Несмотря на то что по мере замещения В2О3 оксидом цезия интенсивность сигналов убывает, все они содержат два не полностью разрешенных сигнала, которые соответствуют присутствию в структуре стекол атомов бора в тройной и четверной координациях. Узкий, симметричный и наиболее интенсивный пик в области –1 млн–1 указывает на присутствие в структуре стекол тетраэдров [BШ4]–, в то время как менее интенсивный, широкий сигнал сложной формы (за счет квадрупольного уширения второго порядка) соответствует атомам бора в тройной координации [3, 4, 7, 10, 11]. Концентрация четырехкоординированных атомов бора была вычислена через площади резонансных линий (N4 =[A4/(A4 + A3)] · 100 %, A4 и A3 — площади резонансных линий, соответствующих атомам бора в тетраэдрической и тригональной координациях). При моделировании спектров формы линий предполагались анало346
Стр.2
Рис. 1. 11В ЯМР спектры изученных цезиевых боросиликатных стекол. На вставке показан пример моделирования спектра стекла 15Cs35B. гичными приведенным в работе [12]. Пример разложения спектра стекла 15Cs35B на компоненты А4 и А3 показан на вставке к рис. 1, полученные концентрации как функция параметра R представлены на рис. 2, а (поскольку концентрация трехкоординированных атомов бора связана с величиной N4 простым соотношением N3 = 100 – N4, то эти данные на рисунке не показаны). Видно, что величина N4 является немонотонной функцией R: она достигает максимума при R = 1, а затем начинает уменьшаться. На этом же рисунке для сравнения приведены концентрации боратных тетраэдров, рассчитанные в соответствии с моделью Делла (Dell) с соавторами [6, 13, 14]. Эта модель была разработана для описания строения натриевоборосиликатных стекол, однако, как было отмечено в работе [15], концентрация щелочных ионов оказывает намного более сильное влияние на локальную структуру стекол, нежели тип щелочного катиона, и поэтому такое сравнение вполне оправдано. Из рис. 2, а видно, что экспериментально определенные и рассчитанные значения N4 меняются подобным образом, но при этом экспериментальные данные лежат ниже теоретических расчетов концентрации тетраэдров [BШ4]–. Возможной причиной такого отклонения может быть более равномерное взаимодействие щелочного оксида с B2O3 и SiO2, чем это предполагается моделью Делла с соавторами [14, 16]. В этом случае даже при R U Rmax (Rmax = 0.5 + K/16), где модель предсказывает N4 = R [6, 13, 14] (îêñèä-ìîäèôèêàòîð взаимодействует только с В2О3), не все количество, а только некоторая часть оксида-модификатора будет взаимодействовать с борокислородным каркасом, приводя к образованию тетраэдров [BШ4]–, а оставшаяся часть будет реагировать с силикатной составляющей сетки стекла. Таким образом, можно ожидать существование Qn единиц с n < 4 уже в стекле 15Cs35B, поскольку единственным результатом взаимодействия щелочного оксида-модификатора с кремнекислородным каркасом является его деполимеризация. 29Si ЯМР спектры представлены на рис. 3, а. Сигналы имеют достаточно сложную форму, что предполагает сосуществование в структуре стекол Qn единиц различного типа. Для того чтобы оценить концентрации различного типа структурных 347
Стр.3