научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ВЫСОКОЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ ПО СПЕКТРАМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА Химия

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ВЫСОКОЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ ПО СПЕКТРАМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 11, с. 1392-1396

УДК 544.23:543.429'23

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ВЫСОКОЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ ПО СПЕКТРАМ ЯДЕРНОГО

МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА © 2010 г. В. Н. Быков, В. Е. Еремяшев, В. Н. Анфилогов

Институт минералогии УрО Российской академии наук, Миасс, Челябинская область Поступила в редакцию 20.08.2009 г.

Методом ядерного магнитного резонанса высокого разрешения изучена структура закалочных алюмо-силикатных стекол с отношением №20/А1203 > 1. Установлено, что в структуре стекол алюминий находятся в четвертной координации. Увеличение содержания оксида натрия в стеклах приводит к уменьшению полимеризации их структуры и неравномерному распределению немостиковых атомов кислорода в алюмосиликатной сетке. Показано, что структура стекол характеризуется локальной микронеоднородностью, что связано с одновременным присутствием алюмосиликатных высокополимеризованных анионных группировок и относительно деполимеризованных силикатных анионов.

ВВЕДЕНИЕ

В структуре алюмосиликатных стекол с высоким содержанием щелочных и щелочноземельных катионов алюминий находится в четвертной координации и входит в состав тетраэдров AlO4, которые совместно с тетраэдрами SiO4 образуют алюмоси-ликатную сетку стекол [1]. При этом ионы металлов (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) либо играют роль катионов-модификаторов и связаны с немостиковыми атомами кислорода, либо являются ионами-компенсаторами избыточного отрицательного заряда алюми-натных тетраэдров. В [2—5] предполагается, что в структуре алюмосиликатных стекол катионы алюминия и щелочных/щелочноземельных металлов распределены равномерно, тогда как в [6—8] выдвинуто предположение о нестатистическом распределении этих катионов.

Цель данной работы — изучение особенностей распределения катионов-стеклообразователей (кремния и алюминия), а также немостиковых атомов кислорода и связанных с ними модифицирующих катионов натрия в структуре алюмосиликатных стекол методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с вращением под магическим углом. Для достижения этой цели были исследованы закономерности изменения структуры высокополиме-ризованных алюмосиликатных стекол с разным соотношением Al/Si в процессе их последовательной деполимеризации при добавлении оксида натрия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Были синтезированы образцы алюмосиликатных стекол состава:

(Na2O)x(NaAlSÍ4Oio)a - ^ (NX-серия),

(Ма20)х(МаА181з08)(1 - Х) (МА-серия),

(Ма20)х(МаА181206)а - Х) (Ш-серия),

где х — мольная доля оксида натрия, избыточного по сравнению с высокополимеризованными стеклами с отношением Мх0/А1203 = 1 и расходуемого на деполимеризацию трехмерной алюмосиликатной сетки.

Для синтеза использовали реактивы М2С03 квалификации "х. ч." , 8Ю2 и А1203 квалификации "ч. д. а.".

Исходные смеси тщательно перемешивали и выдерживали в платиновых тиглях при температуре 1000°С в течение 8 ч. Полученную шихту плавили при 1300°С в течение 12 ч для полной гомогенизации, отливали в графитовую форму и охлаждали на воздухе.

Для изучения структурных особенностей синтезированных алюмосиликатных стекол использовали метод спектроскопии ЯМР высокого разрешения с вращением образца под магическим углом. Этот метод позволяет получить информацию о ближайшем окружении атомов кремния и алюминия в сетке стекла.

298ьспектры ЯМР получали на спектрометре Те8ша§ с индукцией внешнего постоянного поля 7.05 Тл, частотой переменного поля 59.59 МГц и угловым вращением образцов с частотой 10 кГц. 27А1-спектры ЯМР снимали на спектрометре Вгикег АМХ-400 с индукцией внешнего постоянного поля 9.4 Тл, частотой переменного поля 104.26 МГц и угловым вращением образца с частотой 12.5 кГц. Химический сдвиг вычисляли как миллионная часть от относительного сдвига резонансной частоты с использованием в качестве стандартов тетра-метилсилана (2981) и раствора А1С13 • 6Н20 (27А1).

I

0 20 40 60 80 100

Химический сдвиг, ррт

Рис. 1. 27А1-спектры ЯМР стекол серии NA с вращением под магическим углом.

100 -80 -60 Химический сдвиг, ррт

Рис. 2. 298ьспектры ЯМР стекол серии N1 с вращением под магическим углом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Во всех полученных 27А1-спектрах ЯМР наблюдается одна резонансная линия с химическим сдвигом в области 55—60 ppm (рис. 1), связанная с атомами алюминия, находящимися в тетраэдрической координации [9, 10]. Положение максимума этой линии зависит от состава стекол (табл. 1). В спектрах ЯМР стекол всех серий, каждая из которых характеризуется постоянным отношением Si/Al, при увеличении содержания Na2O степень экранирования ядер 27А1 уменьшается и химический сдвиг становится более положительным. При одном и том же содержании Na2O (^НМк/^г = const (НМК — число немостиковых атомов кислорода, приходящихся на один тетраэдрический катион Т) при увеличении

отношения Si/Al химический сдвиг также становится более положительным. Это согласуется с данными об изменении химического сдвига 27Al в зависимости от отношения Si/(Si + Al) в высокополимери-зованных алюмосиликатных стеклах с отношением MxO/Al2O3 = 1 [2] и результатами изучения химического сдвига 27Al в кристаллических алюмосиликатах с каркасной и слоистой структурой [2, 10—12].

В спектрах ЯМР ядер 29Si исследованных алюмосиликатных стекол наблюдается широкая резонансная линия сложной формы, что указывает на существование атомов кремния в нескольких различных структурных позициях (рис. 2). Имеет место систематическое изменение значения химического сдвига, соответствующего положению макси-

Таблица 1. Особенности химического состава, значение среднего отношения числа немостиковых атомов кислорода, приходящихся на один тетраэдрический катион (^Нмк/^т), и значения химического сдвига ядер 29Б1 и 27А1 в спектрах ЯМР

Образец Na2O, мол. % Si/(Si + Al) ^НМК^Т Хим. сдвиг, ppm

29Si 27A1

25NX 25 0.83 0.67 -87.2 55.8

33NX 33 0.83 1.00 -82.5 57.1

40NX 40 0.83 1.33 -76.9 58.1

25NA 25 0.75 0.67 -84.2 56.3

33NA 33 0.75 1.00 -79.0 57.9

40NA 40 0.75 1.33 -73.4 59.3

25NJ 25 0.67 0.67 -80.3 57.3

33NJ 33 0.67 1.00 -76.2 58.7

1394

БЫКОВ и др.

-120 -110 -100 -90 -80 -70 Химический сдвиг, ppm

-60

Рис. 3. Моделирование 29Si-cneKTpa ЯМР алюмоси-ликатного стекла серии NX (25NX).

мума 29Si линии ЯМР, в зависимости от состава стекол (табл. 1). В спектрах стекол каждой серии при увеличении содержания Na2O также наблюдается уменьшение степени экранирования ядер 29Si, и химический сдвиг становится менее отрицательным. В стеклах разных серий, имеющих одно и то же количество избыточного Na2O (NHMK/NT = const), при увеличении содержания алюминия химический сдвиг 29Si также становится менее отрицательным. Эти изменения согласуются с вариациями химического сдвига 29Si в стеклах систем анортит-диоп-сид-форстерит и СаА1^Ю6-диопсид [13].

В [8] показано, что структуру алюмосиликатных стекол с отношением Na20/A1203 > 1 можно рассматривать как состоящую из двух частей, отличающихся по степени полимеризации. Поскольку в

2981-спектрах ЯМР проявляются особенности ближайшего окружения (первая и вторая координационная сфера) атомов кремния в сетке стекла, го изменения в спектрах в зависимости от состава связаны с изменениями локальной структуры стекол, которая в общем случае может быть описана на основе следующих структурных единиц: и 04(тД1), где п — число мостиковых атомов кислорода, т — число атомов алюминия в ближайшем окружении 81.

Для получения количественной информации о структуре изученных алюмосиликатных стекол были выделены вклады от структурных единиц разного типа в общую 2981-линию ЯМР. Для этого было выполнено разложение общей линии на суперпозицию отдельных линий гауссовой формы (рис. 3) с учетом данных о параметрах линий ЯМР структурных единиц 0п и 4(тД1), полученных при исследовании бинарных силикатных стекол и каркасных алюмосиликатных стекол [13]. Результаты, полученные при разложении 2981-спектров ЯМР, указывают на то, что при увеличении концентрации оксида-модификатора происходит деполимеризация силикатной составляющей структуры алюмосиликатных стекол. Это отражается в смене типа структурных единиц ^ в общем направлении Q4 ^ Q ^ Q2 ^ Q1 (табл. 2). Степень этой деполимеризации определяется общим отношением 81/(81 + Д1), и она различна в стеклах разных серий. Доминирующими алюмосиликатными структурными группировками во всех изученных стеклах, за исключением стекла 25МХ с наименьшим содержанием оксидов натрия и алюминия, являются единицы Q 4(4Д1).

Значение среднего отношения ^НМК/ДОГ (81 + Д1), рассчитанное по концентрации структурных единиц Qn в соответствии с уравнением

^НМК/^Г = Х(4 - п)^п, (1)

где I п — нормированная концентрация структурных единиц Qn, хорошо согласуется со значением,

Таблица 2. Химические сдвиги (а, ррт), относительные интенсивности полос (I, %), отнесенных к структурным единицам Qn, и средние значения НМК/Т и 81/(81 + Д1) в полностью полимеризованных микрообластях исследованных алюмосиликатных стекол, вычисленные из спектров ЯМР

Образец -а I -а I -а I -а I -а I -а I NHMK/NT Si/(Si+A1) (Оппозиции)

Q4(2A1) Q4(3A1) Q 4(4A1) Q3 Q2 Q1

25NX 106.6 4 95.6 20 - - 86.6 52 77.1 7 - - 0.66 0.58

33NX - - 95.6 3 83.6 15 86.2 29 76.7 33 64.7 3 1.04 0.51

40NX - - - - 82.4 10 86.3 24 75.9 44 64.4 6 1.30 0.37

25NA - - 94.9 11 83.4 17 86.5 27 78.5 20 - - 0.67 0.53

33NA - - - - 82.6 22 86.5 9 76.5 41 64.3 4 1.03 0.47

40NA - - - - 80.5 9 - - 74.0 58 64.7 7 1.37 0.26

25NJ - - 93.1 3 82.9 31 86.7 2 77.3 27 64.7 4 0.68 0.51

33NJ - - - - 81.8 20 - - 74.9 42 64.6 5 0.99 0.38

определенным по составу стекол (табл. 2). Это свидетельствует о корректности проведенного моделирования спектров ЯМР и определения концентраций структурных единиц.

Полученные данные указывают на то, что при увеличении содержания Na2O в стеклах каждой серии при постоянном отношении Si/(Si + Al) наблюдается последовательный переход к структурным единицам Q4(4Al) в общем направлении Q4(2Al) ^ ^ Q4(3Al) ^ Q4(4Al) (см. табл. 2). Такой же переход происходит при уменьшении отношения Si/(Si+Al) в стеклах разных серий с одинаковым количеством избыточного оксида

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком