Physikalische Eigenschaften und struktureller Feinbau von Natrium-Alumosilicatgläsern und -schmelzen

Abstract

Aus der Änderung der physikalischen Eigenschaften von Gläsern und Schmelzen der Glasreihe (2,5-x) Na₂O · x AI₂O₃ · 5 SiO₂ in Abhängigkeit vom AI₂O₃/Na₂O-Molverhältnis (Dichte, Brechungsindex, Partialrefraktion, IR-Spektren, thermische Ausdehnung, elektrische Leitfähigkeit und Viskosität) wurde auf den Einbau der Al³⁺-Ionen in das Glasnetzwerk geschlossen. Markante Eigenschaftsänderungen, die von den meisten Verfassern beim Molverhältnis AI₂O₃/Na₂O = 1 gefunden wurden, lagen in den vorliegend untersuchten Gläsern bei AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2. Auf Grund der Eigenschaftsänderungen wurde folgender Strukturvorschlag erarbeitet und mit Änderungen des kovalenten und ionogenen Bindungsanteils gedeutet: Die ersten in ein binäres Natriumsilicatglas eingebauten Al³⁺-Ionen liegen in 6er-Koordination vor. Bei weiterer AI₂O₃-Zugabe werden in zunehmendem Maße 4er-koordinierte Al³⁺-Ionen eingebaut, wobei der Anteil an AlO₆-Gruppen zurückgeht. Oberhalb des Molverhältnisses AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2 werden neben 4er-koordinierten wieder vermehrt 6er-koordinierte Al³⁺-Ionen inkorporiert. Mit zunehmender Temperatur, besonders oberhalb Tg, nehmen in allen AI₂O₃-Konzentrationsbereichen die AlO₆-Gruppen ab. Bei Viskositäten ≤ 10³ dPa s liegen in der Schmelze nur noch AlO₄-Gruppen vor. Physical properties and structural details of sodium aluminosilicate glasses and melts Conclusions concerning the incorporation of Al³⁺ ions in the glass network have been drawn from changes of the physical properties (density, refractive index, partial refraction, infra red spectra, thermal expansion, electrical conductivity and viscosity) of glasses and melts in the series (2,5-x) Na₂O · x AI₂O₃ · 5 SiO₂. Characteristic changes in properties, found by most authors at the molar ratio AI₂O₃/Na₂O = 1, were observed at AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2 in the present series of glasses. On the basis of these changes in properties the following structural model is proposed and related to changes in the relative degree of ionic and covalent bonding: The first Al³⁺ ions introduced into a sodium silicate glass are six coordinated. Further additions of AI₂O₃ enter increasingly into 4 coordination so that the fraction of AlO₆ groups decreases. Beyond the molar ratio AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2 more 6 coordinated Al³⁺ ions are again incorporated as well as 4 coordinated. As temperature increases, especially above Tg, the proportion of AlO₆ groups decreases in all composition ranges. At viscosities below about ≤ 10³ dPa s only AlO₄ groups exist in the melt. Propriétés physiques et microstructure de verres et fontes de silicate double de sodium et d'alumine On conclut à une incorporation d'ions Al³⁺ au réseau vitreux à partir de la modification des propriétés physiques de verres et de fontes de la série (2,5-x) Na₂O · x AI₂O₃ · 5 SiO₂ en fonction du rapport moléculaire AI₂O₃/Na₂O (masse volumique, indice de réfraction, réfraction partielle, spectres IR, dilatation thermique, conductibilité électrique et viscosité). Les changements de propriétés significatifs constatés par la plupart des auteurs pour le rapport molaire AI₂O₃/Na₂O = 1 se situent pour les verres etudies ici à AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2. Sur la base du changement de ces propriétés, on a élaboré le modèle de structure suivant, l'interprétation se basant sur la modification des proportions de liaisons covalentes et ionogènes: Les premiers ions Al³⁺ incorporés dans un verre de silicate de sodium possèdent une coordinence de 6. Si l'on ajoute encore AI₂O₃ on obtient de plus en plus une incorporation d'ions Al³⁺ en coordinence 4 et une diminution du nombre de groupes AlO₆ Pour un rapport molaire AI₂O₃/Na₂O ≈ 1,2 des ions Al³⁺ en coordinence 6 sont incorporés à côté des ions en coordinence 4. L'augmentation de la température surtout au delà de Tg provoque une diminution du nombre de groupes AlO₆ dans tous les domaines de concentration. Pour les viscosités ≈ 10³ dPa s, la fonte ne contient plus que des groupes AlO₄.