способ получения синтетического материала со структурой благородного опала

Формула изобретения

Способ получения синтетического материала со структурой благородного опала, включающий приготовление монодисперсной суспензии, содержащей сферические глобулы аморфного кремнезема, послойное осаждение осадка, сушку при 100 - 150^oC в течение 10 - 30 ч, пневматолитовый отжиг в присутствии паров воды в течение 2 - 10 ч при 350 - 400^oC, пропитку осадка кремнезолем, термообработку при 400 - 600^oC в течение 1 - 2 ч, отличающийся тем, что приготовляют суспензию с глобулами аморфного кремнезема размером 140 - 600 нм, перед отжигом осуществляют дополнительную сушку осадка при пониженном давлении 1 - 10 Па, а отжиг ведут при 15 - 45 МПа при дополнительном присутствии паров тетраэтоксисилана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности синтеза минерального сырья и может быть использовано для получения синтетического материала со структурой благородного опала - в частности, при последующей обработке аналога природного благородного опала, используемого, например, в ювелирной промышленности.

Природный благородный опал является одним из самых дорогих и красивых камней. По химическому составу - это водосодержащий оксид кремния глобулярного строения. Глобулы кремнезема имеют размер 150-450 нм. Показатель преломления природного опала 1,41-1,46, микротвердость - 4,5-6,0 ед. по шкале Мооса. Благородный опал отличается радужной игрой цветов (иризацией), причиной которой является дифракция света на пространственной решетке, образованной регулярно расположенными одноразмерными глобулами аморфного кремнезема, пространство между которыми частично или полностью заполнено стекловидным кремнеземом, показатель преломления которого незначительно отличается от показателя преломления самих глобул.

Цвет иризации определяется диаметром глобул: при 150-200 нм - фиолетовый, до 400 нм - зеленый, свыше - красный, а интенсивность игры цвета зависит от степени упорядоченности структуры, состава и структуры вещества, заполняющего пространство между глобулами.

Известен способ получения благородного опала путем приготовления монодисперсной суспензии, содержащей глобулы с размерами 150-450 нм, упаковывания частиц центрифугированием или седиментацией в упорядоченную структуру, дегидратации осадка на воздухе сначала при 100^oC, а затем при 400-900^oC (US N 3497367, кл. С 04 В 35/14,1970).

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения синтетического опала, включающий приготовление суспензии из сферических гранул аморфного кремнезема, послойное осаждение осадка с образованием каждого последующего слоя из суспензии, содержащей глобулы, отличающихся от предыдущих по размеру на 10-15%, сушку при 100-150^oC в течение 10-30 ч, пневматолитовый отжиг в присутствии паров воды при 350-400^oC в течение 2-10 ч, пропитку осадка кремнезолем и термообработку при 400-600^oC в течение 1-2 ч (RU N 2051864, кл. С 01 В 33/113, 1996).

Недостатком известных способов является то, что полученный указанными способами опал не имеет достаточной монодисперстности сфер кремнезема, однородности, прозрачности и микротвердости, что делает такой опал достаточно отличающимся от природного опала.

Технической задачей изобретения является получение синтетического материала со структурой благородного опала, максимально приближающегося по ювелирным характеристикам к природному опалу.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе получения синтетического благородного опала, включающего приготовление монодисперсной суспензии, содержащей сферические глобулы аморфного кремнезема, послойное осаждение осадка, сушку при 100-150^oC в течение 10-30 ч, пневматолитовый отжиг в присутствии паров воды в течение 2-10 ч при 350-400^oC, пропитку осадка кремнезолем, термообработку при 400- 600^oC в течение 1-2 ч, приготовляют суспензию с глобулами аморфного кремнезема размером 140-600 нм, перед отжигом осуществляют дополнительную сушку осадка при пониженном давлении 1-10 Па, а отжиг ведут при 15-45 МПа при дополнительном присутствии паров тетраэтоксисилана.

Ниже приведены конкретные примеры выполнения описываемого способа.

Пример 1. Готовят суспензию гидролизом тетраэтоксисилана (ТЭОС) в спиртоаммиачной среде. Для этого смешивают 100 мл ₂H₅ОН с 2,2 мл 30%-ного водного раствора аммиака и 4 мл ТЭОС, смесь ставят на 30 мин на встряхиватель типа АВУ-6с, а затем оставляют на 1,5-2 ч в покое. Получают суспензию со сферическими глобулами аморфного кремнезема размером 300 нм, заливают ее в пробирку и центрифугируют в течение 1 ч. Гидролизат сливают, опаловидный мокрый осадок остается на дне пробирки. Затем в пробирку заливают новую порцию суспензии, в которой изменено соотношение компонентов: 100 мл С₂H₅ОН, 2,5 мл 30%-ного NH₄OH и 4 мл ТЭОС (размер частиц 335 нм, т.е. на 12% больше, чем в первом случае), и снова центрифугируют для получения 2-го слоя опаловидного осадка. Аналогично осаждают 3 и 4 слои, при этом при тех же соотношениях ТЭОС и спирта берут соответственно - 3,0 и 3,5 мл аммиака. Размер частиц при этом будет 375 и 420 нм. Затем влажный осадок высушивают сначала при комнатной температуре, а затем сушат в термостате при 120^oC в течение 20 ч. После последующего охлаждения до комнатной температуры образцы сушат при пониженном давлении 1,5 Па, после чего подвергают пневматолитовому отжигу в автоклаве при 40 МПа, 400^oC в присутствии паров воды и ТЭОС в течение 5 ч. После охлаждения автоклава образцы вынимают для пропитки их кремнезолем. Полученные образцы имеют высокую однородность и монодисперстность сфер кремнезема. Микротвердость по шкале Мооса 5-6 ед., плотность 2 г/см³, полупрозрачные, микроструктура в виде полигональных глобул, упорядоченных в кубическую решетку.

Пример 2. Операции по получению опала те же, что и в примере 1, но дополнительную сушку ведут при давлении 9 Па, а размер глобул - 400 нм. Результат аналогичен примеру 1, но в результате формируется синтетический материал со структурой, свойственной природному благородному опалу: глобулы кремнезема прочно связаны между собой, имеют площади касания в виде сегментов.

По физическим и химическим характеристикам полученный синтетический материал со структурой благородного опала после пропитки идентичен природному опалу: химический состав - SiO₂n H₂O, микротвердость 5-6 ед. по шкале Мооса, иризация блочная и включает два и более цветов видимого спектра, микроструктура (по данным электронной микроскопии) - плотнейшая гексагональная или кубическая упаковка, показатель преломления 1,43-1,45, плотность 2,0-2,1 г/см³.