Выращивание кристаллов из растворов (стр. 41 )

Вопросы резки твердых материалов рассматриваются в книге [1975 г.].

Последующая абразивная обработка кристаллов — шлифовка и полировка — осуществляется на шлифовально-доводочных стан­ках. Принцип работы таких станков прост: на вертикальном валу, вращающемся с частотой 5—7 с-1, закреплен чугунный диск (план­шайба) диаметром 150—200 мм с хорошо выверенной плоскостью или иной поверхностью необходимой формы. Пастообразная сус­пензия абразива в жидкости, не растворяющей кристалл, неболь­шими порциями наносится на диск, лучше кистью. Поверхность кристалла прижимают к шлифовальному диску рукой, двигают вдоль радиуса диска и время от времени поворачивают в плос­кости шлифования на 180°. Производительность шлифования зави­сит от твердости кристалла, скорости вращения инструмента, на­жима на образец, зернистости и твердости абразива.

Шлифование растворимых в воде кристаллов осуществляют абразивными порошками с размером зерна не крупнее 20 мкм. Смачивающей жидкостью служат глицерин, жидкое машинное масло, уайт-спирит, этиловый спирт и т, п. Для очень мягких крис­таллов, имеющих к тому же совершенную спайность, абразивы вообще неприменимы, так как вызывают появление глубоких ца­рапин и многочисленных трещин. В таких случаях можно рекомен­довать безабразивную обработку. На шлифовальник натягивают батист, бязь, сукно или фетр. Последние два перед работой располировывают

181

на стеклянном притире. При обработке с подачей теп­лой воды кристалл интенсивно растворяется. Раствор удаляется со шлифовального диска избытком теплой воды. Обработанная таким образом поверхность кристалла не имеет груборельефного и трещиноватого слоя. Однако многие поверхности при такой об­работке покрываются ямками травления. Избежать их появления можно подбором соответствующих составов и условий растворе­ния таким образом, чтобы процесс протекал с удалением неров­ностей и получением гладкой поверхности кристалла. Такой про­цесс называется химической полировкой. Подобного рода поли­рующие растворы способны удалить поверхностный деформиро­ванный слой, возникший в результате предварительной резки, шлифовки и механической полировки.

До настоящего времени отсутствует единая теория химической полировки. Поэтому трудно дать какие-либо надежные рекомен­дации к подбору состава растворителя и режима полировки. Улуч­шение процесса химической полировки достигается повышением температуры раствора. Для выбора полирующего состава необхо­димо выполнить ряд условий. Прежде всего, горизонтальная ско­рость распространения ступеней от ямок травления должна быть намного выше нормальной скорости растворения и, по-видимому, образование зародышей растворения должно происходить на лю­бых местах поверхности кристалла, а не только на выходах дисло­каций. Этот вопрос рассмотрен [1974] и [1979], там же приведены рецепты составов и ре­жимов химической полировки для кристаллов многих веществ.

Сведения о станках для обработки кристаллов, приемах и ре­жимах работы в процессе резки, шлифовки и полировки можно найти в некоторых руководствах: [1975 г.], и др. [1978 г.], [1980 г.].

5.8. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ

ПРАКТИКЕ

Требования к материалам, применяемым в кристаллизаторах, в целом ряде случаев оказываются более жесткими, чем для обыч­ной химической аппаратуры. Причина этого заключается в чув­ствительности растущего кристалла, порой крайне высокой, что мы уже подчеркивали, к присутствию некоторых специфических для разных кристаллов примесей. Большая или меньшая агрессив­ность раствора, особенно при значительной длительности процесса выращивания кристаллов, приводит к накоплению в среде роста продуктов взаимодействия раствора с деталями кристаллизатора. Поэтому нужно хорошо представлять себе возможное взаимодей­ствие раствора с соприкасающимися с ним деталями. Рассмотрим основные применяемые сейчас материалы.

Стекло. Это наиболее обычный и легкодоступный материал для изготовления кристаллизаторов и кристаллоносцев. В качестве кристаллизаторов в большинстве случаев используются батарей­ные стаканы. Их выпускают вместимостью от 0,5 до 5 л. В качестве

182

кристаллизаторов для получения кристаллов в условиях теп­ловой конвекции раствора удобны выпускаемые промышленностью пробирки для донорской крови. Для кристаллоносцев обычно ис­пользуются палочки или запаянные трубки диаметром 5—6 мм. Для термостатов используют круглые аквариумные банки вмести­мостью 10—20 л. Вполне пригодны для изготовления термостатов большие пищевые банки.

Химическое стекло устойчиво в органических, а также в ней­тральных и большинстве кислых водных растворов. Растворы фос­форной и плавиковой кислот разрушают его. Резко понижена стой­кость стекла в щелочных растворах. Так называемое молибденовое стекло довольно быстро разъедается растворами, содержащими иод (в частности, при кристаллизации КYOз). Нужно заметить, что скорость растворения стекла резко растет с увеличением темпера­туры. Интенсивность разрушения увеличивается в 1,5—2,5 раза на каждые 10о С в интервале температур до 100° С. Совершенно непри­годно стекло для температур свыше 150—200° С при повышенном давлении паров воды. В этом случае растворение сопровождается быстрой раскристаллизацией стекла, фиксируемой по его помут­нению. Характеристика устойчивости лабораторного стекла имеется у [1965 г.].

Перед использованием стекла в средах, не слишком агрессив­ных, полезно в течение нескольких часов обрабатывать его соот­ветствующим горячим раствором. При этом из поверхностного слоя извлекается наиболее легкорастворимые компоненты, и на поверх­ности стекла возникает защитная пленка, состоящая из кремне­зема. Так же следует поступать и при использовании любых дру­гих материалов. Эта операция уменьшает количество примесей, выщелачиваемых раствором, из которого ведется кристаллизация. С этой же целью полезно не обновлять без особой нужды посуду и детали, применяемые при работе с данным раствором.

Резина. Употребляется вакуумная листовая резина для гер­метизации кристаллизаторов, а также в виде трубочек, надеваемых на кристаллоносцы для помещения затравок, и т. д. Обычно она пригодна для работы с неорганическими веществами. Желательно избегать ее применения при работе с органическими веществами. Даже если внешне резина и не изменяется, последствия ее приме­нения при кристаллизации могут быть весьма заметны.

Нужно избегать использования черной технической резины, от которой заметно желтеют растворы. Если такая необходимость все же возникнет, резину нужно прокипятить — сначала в несколь­ких порциях дистиллированной воды до прекращения пожелтения воды, а после этого в растворе, с которым предстоит работать. Черную резиновую пробку может заменить короткий отрезок мяг­кой светлой трубки, натянутой на конец стеклянной палочки, ко­роткой пробирки и т. п. (или другого коррозионно-устойчивого ма­териала).

Пластмассы. Максимальной химической стойкостью из всех известных видов пластмасс обладает фторопласт-4, или тефлон.

183

Он используется для изготовления мешалок, кристаллоносцев, затворов и т. д. Широкому применению его часто препят­ствует трудность скрепления деталей из этого материала. Он не склеивается ни одним из известных клеев без предварительной обработки его поверхности расплавами щелочных металлов или растворами их в аммиаке. Фторопласт может свариваться под дав­лением, но в обычных лабораторных условиях это довольно сложно. Обычно приходится удовлетворяться механическим соеди­нением деталей из него.

При работе с неорганическими веществами часто используется оргстекло. Оно прозрачно, не деформируется примерно до 60— 90°С (разные сорта), прочно склеивается собственным раствором в дихлорэтане (ядовит!), легко обрабатывается и химически довольно устойчиво. Все эти свойства позволяют широко его ис­пользовать при создании разнообразных деталей кристаллизацион­ной аппаратуры. К недостаткам органического стекла следует от­нести то, что оно со временем немного желтеет на свету, растрес­кивается и, будучи мягким материалом, легко царапается.

Гетинакс, текстолит и стеклотекстолит для работы в растворах, как правило, не применяются, так как они разбухают и деформи­руются. Они применяются для изготовления крышек кристаллиза­торов и термостатов в виде листов толщиной 8—15 мм. Полихлор­виниловые трубочки диаметром 2—4 мм используются для закреп­ления затравочных кристаллов.

Металлы. В лабораторных условиях для изготовления кристаллизаторов и других деталей, соприкасающихся с раство­рами, металлы применяются сравнительно редко. В растворах электролитов может использоваться титан, устойчивость которого против многих химических реагентов заметно выше, чем у нержа­веющей стали. В исключительных случаях — для кристаллизации очень агрессивных растворов и при необходимости особой чис­тоты — применяется платина.

Клеи. Имея в виду обычную сложность составов клеев, их высокую поверхностную активность, присутствие в них стабилиза­торов, наполнителей, полимеризаторов, к использованию клеев нужно подходить с большой осторожностью и по возможности об­ходиться без них. При склеивании стекла хорошо зарекомендовал себя глифталевый клей. Он изготавливается из 30 масс.% глице­рина и 70 масс.% фталевого ангидрида. Для приготовления клея смесь этих веществ в указанной пропорции при помешивании про­варивается при 200° С в течение 5 ч. Клей наносят на разогретую поверхность, предназначенную для склеивания. Далее эти поверх­ности в прижатом друг к другу состоянии выдерживаются в тече­ние 5 ч при 200° С. Глифталевый клей стабилен как в кислых, так и в щелочных растворах.

Для склеивания разнородных поверхностей (металл, стекло, резина) и для приклеивания затравок применяется каучуковый клей Н88. Его можно также использовать для покрытия недоста­точно стойких материалов. Меньшей прочностью, но хорошей

184

устойчивостью обладает обычный резиновый клей. Однако надо иметь в виду его большую усадку при высыхании. Целлулоид, рас­творенный в ацетоне, и клей БФ-2 также применяются для при­крепления мелких кристаллов неорганических веществ к кристаллоносцу. Особенно удобен в этом отношении упомянутый целлу­лоидный клей, так как он быстро высыхает. Для его приготовле­ния берут отмытую от эмульсии нитроцеллюлозную (горючую) фотопленку. Много клеев описано в литературе [Справочник по клеям, 1980 г.].