Способ получения цветного хромдиопсидового стекла (варианты)
METHOD OF PRODUCING CHROME-DIOPSIDE GLASS (VERSIONS)

2
6
Изобретение относится к использованию минерального сырья хромдиопсида (магний-кальциевый силикат состава MgCaSiO, содержащий примесь хрома) для получения ювелирного поделочного материала в виде плавленых цветных однородных окрашенных стеклообразных образцов.
Ярко-зеленые кристаллы хромдиопсида нашли применение в ювелирных изделиях. Однако качественные кристаллы обычно имеют небольшие размеры, их величина редко превышает 7-8 см.
Основная порода минерала хромдиопсида представляет собой зеленого цвета зернисто-слоистую неоднородную массу, легко скалывающуюся по плоскостям, с белесыми примесными прожилками, которая в лучшем случае используется в качестве поделочного камня для художественных изделий.
Известно использование диопсида и его хромсодержащей разновидности в качестве окрашивающего компонента в составе шихты при получении различных цветных силикатных декоративных стекол и стеклокерамики (см., например, SU №1523542, SU №1530588, RU №2377195, RU №2465227).
2
6
3
3
О получении диопсида MgCaSiO в стеклообразном состоянии хорошо известно, как и о получении стекол в во всей области составов системы MgSiO – CaSiO, например, в работе L. Cormier,G.J. Cuello, Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 122, 2013, p. 498-510 стекла получены плавкой шихты, содержащей исходные материалы (SiO, CaCO и MgO) в платино-родиевых тиглях и закалкой нижней части тигля в холодной воде.
В ювелирной области техники используется множество приемов для улучшения физических и/или эстетических свойств природных минералов, например, облучением электронным пучком, облучением ионами металлов, нейтронной бомбардировкой, термообработкорй и тому подобные. Однако, не существует известных методов обработки или улучшения качества природного хромдиопсида.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, является получение поделочного материала в виде прозрачных стеклообразных однородных окрашенных образцов хромдиопсида зеленого и синего цвета с сохранением величины показателя преломления, твердости, присущих хромдиопсиду для поделочных материалов. При этом, чтобы получить хромдиопсид в стеклообразном состоянии при отсутствии стеклообразующих добавок необходимо обеспечить высокие скорости охлаждения расплава.
0
0
В предлагаемом способе зеленое хромдиопсидовое стекло получают плавлением минерального хромдиопсидового сырья с последующим перегревом расплава до температуры 1600С в стеклоуглеродном тигле в инертной атмосфере с использованием высокочастотного нагрева, выдержкой расплава при этой температуре до его осветления и закалкой расплава выключением высокочастотного нагрева, обеспечивающей в течение до трех минут охлаждение расплава до 600С.
0
0
0
Другим вариантом изобретения является получение синего хромдиопсидового стекла плавлением минерального хромдиопсидового сырья с последующим перегревом расплава до температуры 1700С в стеклоуглеродном тигле в инертной атмосфере с использованием высокочастотного нагрева, выдержкой расплава при этой температуре до его осветления, снижением температуры расплава до 1600С и последующей закалкой расплава выключением высокочастотного нагрева, обеспечивающей в течение до трех минут охлаждение расплава до 600С.
0
0
Состав хромдиопсидового сырья влияет на температуру плавления сырья. Для чистого диопсида температура плавления от соотношения кальция к магнию изменяется в пределах 1540–1570С. Чтобы сократить время осветления расплава за счет удаления газовых примесей, расплавления тугоплавких примесных частиц, применятся небольшой перегрев расплава до 1600С - температуры, при которой расплав еще не реагирует со стенками стеклоуглеродного тигля. Кроме того, при перегреве расплав хромдиопсида становится менее вязким, что содействует более быстрому осветлению расплава.
0
3+
2+
Перегрев расплава до 1700С приводит к частичному восстановлению ионов Cr до Cr за счет взаимодействия шихты со стенками стеклоуглеродного тигля и в результате закалки к получению синего хромдиопсидового стекла.
Использование стеклоуглеродного тигля, гладкая поверхность которого и инертность к расплаву при температуре плавления хромдиопсида позволяет исключить прилипание стекла к тиглю.
0
0
0
0
Использование высокочастотного нагрева позволяет мгновенно отключить подачу мощности на водоохлаждаемый индуктор, что обеспечивает высокую скорость охлаждения расплава для получения стекла. Изменение температуры расплава при закалке составляет в первую минуту от 1600Сдо 1100С, за вторую минуту до 800С, за третью минуту до менее 600С. Такие скорости охлаждения расплава обеспечивают сохранение стеклообразного состояния хромдиопсида.
Исследования показали, что возможно проведение процесса без перегрева при температуре плавления, но это приводит к увеличению времени до осветления расплава и увеличению времени контакта расплава со стенками тигля.
На фиг. 1 представлены дифрактограммы: 1 – исходный хромдиопсид, 2 – аморфное хромдиопсидовое стекло (съемка под п/э пленкой, пики от нее); на фиг. 2 - ИК- спектры: 1, 3 – аморфные зеленое и синее стекла, 2 – исходный хромдиопсид; на фиг. 3 - Cr Kα рентгеновские эмиссионные спектры зеленого (1) и синего (2) хромдиопсидовых стекол.
Суть предлагаемого способа получения цветных хромдиопсидовых стекол раскрывается примерами их получения.
0
0
0
Пример 1. Измельченное хромдиопсидовое сырье, содержащее по результатам анализа, масс.%: Si- 21.5; Ca – 13.6; Mg – 10.2; Fe – 0.8; Al – 0.8; Na – 0.7; Cr – 0.3; C – 3.6; O – 48.5, массой 3 г загружают в стеклоуглеродный тигель диаметром 15 мм, высотой 26 мм, который помещают в кварцевом реакторе в графитовую трубку, нагреваемую высокочастотным индуктором. Подачей высокочистого аргона в реактор вытесняется воздух и создается инертная атмосфера для предотвращения выгорания графитового нагревателя и стеклоуглеродного тигля. Затем после включения высокочастотного нагрева тигель с шихтой нагревается до 700С, равномерная подача мощности на индуктор через каждые 5 минут обеспечивает дальнейший нагрев тигля со скоростью порядка 30/мин до 1600С при которой расплав выдерживается до его осветления примерно в течение 5 мин. с последующей закалкой расплава путем выключения индукционного нагрева. После охлаждения из тигля легко извлекается прозрачное равномерно окрашенное зеленого цвета хромдиопсидовое стекло в форме плосковыпуклой линзы. Потеря массы после плавки образца не превышала 0,5%.
0
0
Пример 2. В отличие от примера 1 хром диопсид массой 3 г в процессе нагрева перегрет на 100 градусов, при 1700С наблюдалось образование газообразных пузырьков на дне тигля, которые всплывали на поверхность расплава и схлопывались, после снижения температуры расплава до 1600С образование пузырьков прекращалось и расплав закаливался выключением нагрева. После охлаждения образец извлекался и представлял собой равномерно окрашенное прозрачное синего цвета стекло также в форме плосковыпуклой линзы.
0
Для исследований зеленое и синее хромдиопсидовые стекла отожжены при 500-600С для снятия напряжений. Шлифовкой и полировкой приготовлены плоско параллельные образцы для оптических и электронного строения исследований. Рентгенофазовым анализом (фиг. 1) и ИК спектрами (фиг. 2) подтверждено аморфное состояние стекол. Изменение зарядового состояния примеси хрома (фиг. 3) ответственно за изменение окраски стекла в синий цвет.