Chemical and physical characterization of porous materials prepared by leaching glasses in the system Na2O-Al2O3-B2O3-F

Abstract

The leachability of glasses in the system Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃-F with Al₂O₃ contents of about 50 wt% was investigated. It was found necessary to heat-treat the glasses at temperatures that assure not only phase separation but also formation of microcrystalline phases to prevent crumbling, swelling, and excessive restructuring of the glasses on leaching in hot dilute acetic acid solutions or hot distilled water. Chemical analysis showed that the leached glasses contain up to 96 wt% Al₂O₃, based on ignited weight. Leaching rate studies show that the removal of the nonaluminous constituents by the hot leachant is diffusion-controlled. The surface areas and pore sizes of the alumina-rich porous skeleton that results on leaching are from ≈ 80 to ≈ 250 m²/g and from ≈ 6 to ≈ 15 nm, depending on heat treatment and leaching conditions. Visual examination and x-ray diffraction studies show that the heat treatment of the base glass induces phase separation and leads to the formation of crystalline phases such as Na₃AlF₆ and Na₂Al₂B₂O₇. The increases in density and thermal expansion of the base glasses with fluoride content on subsequent heat treatment are chiefly due to the formation of such crystalline phases.

Die Auslaugbarkeit von Gläsern des Systems Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃-F mit einem Stoffmengenanteil von ungefähr 50 % Al₂O₃ wurde untersucht. Es wurde als notwendig erachtet, daß die Gläser eine geeignete thermische Behandlung erfahren, die nicht nur eine Phasentrennung, sondern auch Kristallisationsvorgänge fördert. Die Bildung von Mikrokristalliten verhindert nicht nur das Zerbröckeln und Anschwellen, sondern auch übermäßige Gefügeveränderungen der wärmebehandelten Gläser während der Auslaugung in heißen verdünnten Essigsäurelösungen oder heißem destilliertem Wasser. Die chemische Analyse der ausgelaugten Gläser zeigte, daß deren zurückgebliebene poröse Struktur einen Stoffmengenanteil bis 96 % Al₂O₃ enthält. Untersuchungen der Auslauggeschwindigkeit zeigten, daß ein Herauslösen der nicht aluminiumhaltigen Komponenten durch heißes Auslaugen annähernd dem Fickschen Diffusionsgesetz unterliegt. Die Werte für die spezifischen Oberflächen und Porengrößen der aluminiumreichen porösen Strukturen, die durch das Auslaugen entstanden sind, lagen bei ≈ 80 bis ≈ 250 m²/g und ≈ 6 bis ≈ 15 nm. Sie wurden hauptsächlich durch die Wärmebehandlung und den Auslaugungsprozeß bestimmt. Visuelle Beobachtungen und Röntgenbeugungsuntersuchungen zeigten, daß die Wärmebehandlung des nicht extrahierten Glases zur Phasentrennung und zur Bildung von mikrokristallinen Phasen der Zusammensetzung Na₃AlF₆ und Na₂Al₂B₂O₇ führte. Der Anstieg der Dichte und der Wärmeausdehnung des fluorhaltigen Glases nach einer Wärmebehandlung ist hauptsächlich auf die Bildung solcher Kristallphasen zurückzuführen.