El vidrio poroso es un vidrio que incluye poros, generalmente en el rango nanométrico o micrométrico , comúnmente preparado mediante uno de los siguientes procesos: mediante separación de fases metaestable en vidrios de borosilicato (como en su sistema SiO 2 -B 2 O 3 -Na 2 O), seguido de extracción líquida de una de las fases formadas; [1] [2] a través del proceso sol-gel ; o simplemente sinterizando polvo de vidrio .
Las propiedades específicas y la disponibilidad comercial del vidrio poroso lo convierten en uno de los sólidos amorfos más investigados y caracterizados . Debido a la posibilidad de modelar la microestructura , los vidrios porosos tienen un alto potencial como sistema modelo. Muestran una alta resistencia química, térmica y mecánica, que resulta de una red de sílice rígida e incompresible . Se pueden producir en alta calidad y con tamaños de poro que van desde 1 nm hasta cualquier valor deseado. Una fácil funcionalización de la superficie interior abre un amplio campo de aplicaciones para vidrios porosos.
Otra ventaja especial de los vidrios porosos en comparación con otros materiales porosos es que pueden fabricarse no solo como polvo o granulado, sino también como piezas más grandes en casi cualquier forma y textura definidas por el usuario.
Historia
En la primera mitad del siglo XX, Turner y Winks descubrieron que los vidrios de borosilicato pueden ser lixiviados por ácidos. Sus investigaciones demostraron que el tratamiento térmico no solo puede influir en la estabilidad química, sino también en la densidad , el índice de refracción , la expansión térmica y la viscosidad . En 1934, Nordberg y Hood [ aclaración necesaria ] descubrieron que los vidrios de borosilicato alcalino se separan en fases solubles (ricos en borato de sodio) e insolubles (ricos en sílice) si el vidrio se trata térmicamente. Mediante la extracción con ácidos minerales se puede eliminar la fase soluble y queda una red de sílice porosa. Durante un proceso de sinterización posterior a la extracción, se genera un vidrio de sílice , que tiene propiedades cercanas a las del vidrio de cuarzo . La fabricación de estos vidrios con alto contenido de sílice se ha publicado como el proceso VYCOR.
Definición
En la literatura científica, el vidrio poroso es un material poroso que contiene aproximadamente un 96% de sílice , que se produce mediante una extracción ácida o una extracción combinada ácida y alcalina , respectivamente, de vidrios de borosilicato alcalino separados en fases , y presenta una microestructura porosa interconectada tridimensional. Para los vidrios porosos disponibles comercialmente, se utilizan los términos VYCOR-Glass poroso (PVG) y Controlled Pore Glass (CPG). La estructura de poros está formada por un sistema de canales sintéticos y tiene una superficie específica de 10 a 300 m² / g. Los vidrios porosos se pueden generar mediante una extracción ácida de vidrios de sílice alcalina separada en fases, o mediante un proceso de sol-gel. Regulando los parámetros de fabricación, es posible producir un vidrio poroso con un tamaño de poro de entre 0,4 y 1000 nm en una distribución de tamaño de poro muy estrecha. Puede generar varios moldes, por ejemplo, partículas irregulares (polvo, granulado), esferas, placas, palos, fibras, membranas ultrafinas, tubos y anillos.
Fabricación
La condición previa para la fabricación repetitiva de vidrio poroso es el conocimiento sobre la determinación de la estructura y los parámetros de control de la estructura. La composición del vidrio inicial es un parámetro de control de la estructura. La fabricación del vidrio inicial, principalmente el proceso de enfriamiento, la temperatura y tiempo de tratamiento térmico y el postratamiento son parámetros determinantes de la estructura. El diagrama de fase para el vidrio de silicio sódico muestra una brecha de miscibilidad para ciertas composiciones de vidrio.
La temperatura crítica superior se encuentra en aproximadamente 760 ° C y la inferior en aproximadamente 500 ° COS Moltschanova fue la primera persona que describió exactamente la definición de la disolución. Para una separación de fases, la composición de vidrio inicial debe estar en el espacio de miscibilidad del ternario Na
2O - B
2O
3- SiO
2sistema de vidrio. Mediante un tratamiento térmico, se genera una estructura de interpenetración, que resulta de una descomposición espinodal de la fase de borato rica en sodio y la fase de sílice. Este procedimiento se llama descomposición primaria . Utilizando una composición de vidrio inicial, que se encuentra en la línea de la anomalía, es posible lograr una descomposición máxima, casi sin esfuerzo.
Como ambas fases tienen resistencias diferentes al agua, los ácidos minerales y las soluciones de sales inorgánicas, la fase de borato rica en sodio de estos medios puede eliminarse mediante extracción. La extracción óptima solo es posible si la composición inicial del vidrio y el tratamiento térmico se eligen de manera que se combinen las estructuras y no las estructuras de gotas. La textura está influenciada por la composición del vidrio inicial, que dirige el tamaño y tipo de áreas de descomposición. En el contexto de los vidrios porosos, "textura" implica propiedades como volumen de poro específico, superficie específica, tamaño de poro y porosidad. Además, la textura de los vidrios porosos está influenciada por la concentración del medio de extracción y la proporción de líquido a sólido. Las áreas emergentes de descomposición dependen del tiempo y la temperatura del tratamiento térmico.
Además, la sílice coloidal se está resolviendo en la fase de borato rico en sodio, cuando aumentan el tiempo y la temperatura del tratamiento térmico. Este proceso se llama descomposición secundaria. El depósito de sílice coloidal en los macroporos durante la extracción y oscurece la estructura del poro real. La solubilidad de la sílice coloidal en soluciones alcalinas es más alta que la sílice de red y, por lo tanto, puede eliminarse mediante un postratamiento alcalino.
Aplicaciones
Debido a su alta estabilidad mecánica, térmica y química, la fabricación variable de tamaños de poros con una distribución de tamaño de poros pequeña y una variedad de modificaciones superficiales, es posible una amplia gama de aplicaciones. El hecho de que los vidrios porosos se puedan producir en muchas formas diferentes es otra ventaja para su aplicación en la industria, la medicina, la investigación farmacéutica, la biotecnología y la tecnología de sensores.
Los vidrios porosos son ideales para la separación de materiales, debido a la pequeña distribución del tamaño de los poros. Por eso se utilizan en cromatografía de gases, cromatografía en capa fina y cromatografía de afinidad. Una adaptación de la fase estacionaria para un problema de separación es posible mediante una modificación específica de la superficie del vidrio poroso.
En biotecnología, los vidrios porosos tienen beneficios para la limpieza del ADN y la inmovilización de enzimas o microorganismos. El vidrio de poro controlado (CPG) con tamaños de poro entre 50 y 300 nm también es excelentemente adecuado para la síntesis de oligonucleótidos . En esta aplicación, primero se une un enlazador, un nucleósido o un compuesto no nucleosídico a la superficie de CPG. La longitud de la cadena de los oligonucleótidos producidos depende del tamaño de los poros de CPG.
Además, los vidrios porosos se utilizan para fabricar implantes, especialmente implantes dentales, para los cuales se procesa polvo de vidrio poroso con plásticos para formar un compuesto. El tamaño de las partículas y el tamaño de los poros influyen en la elasticidad del material compuesto para adaptar las propiedades ópticas y mecánicas al tejido circundante, por ejemplo, el aspecto y la dureza del esmalte dental.
Con la capacidad de formar vidrios porosos como plaquetas, la tecnología de membranas es otra área importante de aplicación. La hiperfiltración de agua de mar y salobre y la ultrafiltración en el "proceso aguas abajo" son solo dos. Además, a menudo son apropiados como portadores de catalizadores. Por ejemplo, la olefina - metátesis se realizó sobre el sistema metal - óxido metálico / vidrio poroso.
Los vidrios porosos también se pueden usar como reactores de membrana, nuevamente debido a su alta estabilidad mecánica, térmica y química. Los reactores de membrana pueden mejorar la conversión de reacciones de equilibrio limitado, mientras que un producto de reacción se elimina mediante una membrana selectiva. Por ejemplo, en la descomposición de sulfuro de hidrógeno sobre un catalizador en un capilar de vidrio, la conversión por reacción fue mayor con el capilar de vidrio que sin él.
Ver también
Referencias
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enlaces externos
- Separación de fases en vidrios de borosilicato y silicato alcalinotérreo