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It is important to optimize glass compositions for their specific purpose but also for the efficiency of the production process, the manufacturing of glass. This will be beneficial economically and environmentally. Today many processes and glass compositions are already optimized, but due to more strict legislation on toxic elements and substances there must be changes in many glass compositions. One of these elements is antimony; the oxide is used as fining agent to obtain a bubble free glass within a reasonable process time. One aim with this thesis is to obtain a deeper understanding of the fining mechanism in 20R2O-10MO-70SiO2 (R=Na and/or K, M = Ca and/or Ba, Mg, Sr) glasses in order to minimise the amount of Sb2O3. Another intention is to study the structure of 20R2O-10CaO-70SiO2 (R = Na, K) with Cu2+ as probe ion and thus get a deeper knowledge of the surrounding glass matrix.  The optical basicity scale is used to determine the acid/base character of the different glass compositions.   Fining efficiency results showed a remarkable increase of the number of remaining bubbles when the glass contains either approximately equal amounts of Na and K or Ca and Ba, Mg or Sr. The much higher number of bubbles in the potassium containing glasses compared to the sodium containing is explained by the increase in viscosity, the increase in optical basicity and thus lower oxygen activity. The differences in the fining efficiency when altering alkaline earth ions cannot be explained by the optical basicity values, it seems to be a more complicated situation.   This thesis also reports maximum in Vickers hardness and packing density as well as minimum in glass transition temperature for the mixed alkali glasses. The mixed alkaline earth glasses do not exhibit any clear nonlinear behaviour. Raman spectroscopy measurements showed a variation in the network connectivity which has a clear relation to the optical basicity of the different glass compositions. The combination of UV-Vis-NIR and X-ray absorption spectroscopy measurements showed that the coordination sphere for Cu(II) is a tetragonal distorted octahedron with two elongated Cu-O bonds along the z axis. There were no trends in the degree of tetragonal distortion, thus it was about the same for all the investigated glass compositions. Cu(I) is found to be coordinated by two oxygen ligands in mainly linear coordination sphere, evidenced from X-ray absorption spectroscopy.

Diferentes vidros alcalinos têm sido desenvolvidos para serem usados como eletrólitos sólidos na fabricação de baterias e em sensores químicos devido a sua elevada condutividade iônica. Entretanto, um efeito deletério para os dispositivos surge quando dois íons alcalinos distintos se encontram em uma mesma matriz vítrea. O fenômeno conhecido na literatura como efeito dos alcalinos mistos (mixed-alkali effect (MAE), em inglês) provoca uma variação não-linear em certas propriedades físicas, especialmente na condutividade elétrica, levando ao aparecimento de um profundo mínimo (ou máximo, dependendo da propriedade em estudo), à medida que a concentração relativa dos dois íons alcalinos presentes na rede vítrea varia. O MAE foi descoberto há mais de 100 anos e até hoje a sua real origem não é conhecida. As pesquisas ganharam um novo impulso com a necessidade de miniaturizar e aumentar a eficiência das baterias, para atender a demanda dos novos equipamentos eletrônicos, e com o desenvolvimento da computação, especialmente dos programas de modelagem e dinâmica molecular. Neste trabalho o objetivo foi produzir vidros boratos dos sistemas 50B2O315PbO(35-x)Li2OxNa2O e 50B2O315PbO(35-x)LiFxNaF e determinar a ocorrência e a intensidade do MAE, procurando correlacionar com a possível mudança da estrutura local. Os vidros foram produzidos pelo método de fusão/moldagem em atmosfera aberta. O caráter não-cristalino foi determinado por difração de raios X e a caracterização estrutural foi realizada utilizando-se das técnicas espectroscópicas vibracionais de Infravermelho (IV) e Raman. O estudo das propriedades físicas dos vidros foi realizado mediante a utilização das técnicas de espectroscopia de impedância (caracterização elétrica), calorimetria exploratória diferencial (determinação dos eventos térmicos) e pelo método de Arquimedes (obtenção da densidade). / Different alkali glasses have been developed because exhibit a high ionic conductivity and can be used as solid electrolytes in the fabrication of devices such as batteries and chemical sensors. However, a deleterious effect emerges when two alkali ions are present in the same glassy matrix. The phenomenon, named of the mixed alkali effect (MAE), causes a nonlinear variation of certain physical properties, especially for the electrical conductivity, with the emergence of a deep minimum (or maximum, depending of the property under study). The effect was discovered more than 100 years ago and even today its real origin remain unknown. The research gained new impetus due to need to miniaturize and to increase the efficiency of the batteries to answer the demands of new electronic equipment and with the development of computing, especially of the modeling and dynamic molecular softwares. In this work the goal was to produce the borate glass systems 50B2O315PbO(35-x)Li2OxNa2O and 50B2O315PbO(35-x)LiFxNaF and to determine the occurrence and intensity of the MAE, seeking to correlate with the possible change of the local structure. The glasses were produced by melting/modeling method in open atmosphere. The structural characterization was performed using Infrared (IR) and Raman vibrational spectroscopies. The study of the physical properties was carried out by impedance spectroscopy (electrical characterization), differential scanning calorimetry (to get the thermal events) and Archimedes method (to obtain the density).

Diferentes vidros alcalinos têm sido desenvolvidos para serem usados como eletrólitos sólidos na fabricação de baterias e em sensores químicos devido a sua elevada condutividade iônica. Entretanto, um efeito deletério para os dispositivos surge quando dois íons alcalinos distintos se encontram em uma mesma matriz vítrea. O fenômeno conhecido na literatura como efeito dos alcalinos mistos (mixed-alkali effect (MAE), em inglês) provoca uma variação não-linear em certas propriedades físicas, especialmente na condutividade elétrica, levando ao aparecimento de um profundo mínimo (ou máximo, dependendo da propriedade em estudo), à medida que a concentração relativa dos dois íons alcalinos presentes na rede vítrea varia. O MAE foi descoberto há mais de 100 anos e até hoje a sua real origem não é conhecida. As pesquisas ganharam um novo impulso com a necessidade de miniaturizar e aumentar a eficiência das baterias, para atender a demanda dos novos equipamentos eletrônicos, e com o desenvolvimento da computação, especialmente dos programas de modelagem e dinâmica molecular. Neste trabalho o objetivo foi produzir vidros boratos dos sistemas 50B2O315PbO(35-x)Li2OxNa2O e 50B2O315PbO(35-x)LiFxNaF e determinar a ocorrência e a intensidade do MAE, procurando correlacionar com a possível mudança da estrutura local. Os vidros foram produzidos pelo método de fusão/moldagem em atmosfera aberta. O caráter não-cristalino foi determinado por difração de raios X e a caracterização estrutural foi realizada utilizando-se das técnicas espectroscópicas vibracionais de Infravermelho (IV) e Raman. O estudo das propriedades físicas dos vidros foi realizado mediante a utilização das técnicas de espectroscopia de impedância (caracterização elétrica), calorimetria exploratória diferencial (determinação dos eventos térmicos) e pelo método de Arquimedes (obtenção da densidade). / Different alkali glasses have been developed because exhibit a high ionic conductivity and can be used as solid electrolytes in the fabrication of devices such as batteries and chemical sensors. However, a deleterious effect emerges when two alkali ions are present in the same glassy matrix. The phenomenon, named of the mixed alkali effect (MAE), causes a nonlinear variation of certain physical properties, especially for the electrical conductivity, with the emergence of a deep minimum (or maximum, depending of the property under study). The effect was discovered more than 100 years ago and even today its real origin remain unknown. The research gained new impetus due to need to miniaturize and to increase the efficiency of the batteries to answer the demands of new electronic equipment and with the development of computing, especially of the modeling and dynamic molecular softwares. In this work the goal was to produce the borate glass systems 50B2O315PbO(35-x)Li2OxNa2O and 50B2O315PbO(35-x)LiFxNaF and to determine the occurrence and intensity of the MAE, seeking to correlate with the possible change of the local structure. The glasses were produced by melting/modeling method in open atmosphere. The structural characterization was performed using Infrared (IR) and Raman vibrational spectroscopies. The study of the physical properties was carried out by impedance spectroscopy (electrical characterization), differential scanning calorimetry (to get the thermal events) and Archimedes method (to obtain the density).

Neste trabalho foram realizadas análises estruturais de dois conjuntos de vidros metafosfatos ternários relevantes em potenciais aplicações: aluminofosfatos e álcalis mistos. Para os aluminofosfatos a análise estrutural tem por objetivo verificar a existência de comportamentos preferenciais da conectividade entre os grupos fosfatos e os átomos de Al, e verificar a possível extensão a estes sistemas ternários de princípios de ligação química e ordem local inferidos em fosfatos binários, sendo os sistemas estudados K(1-x)Alx(PO3)(2x+1) e Na(1-x)Alx(PO3)(2x+1) . Para os vidros de álcalis mistos, a análise estrutural tem por objetivo identificar se existe segregação ou mistura aleatória das duas espécies de cátions, e determinar quais modificações na ordem local de cada álcali são induzidas pela troca de espécies, sendo os sistemas estudados LixNa(1-x)(PO3), KxNa(1-x)(PO3, RbxNa(1-x)(PO3), RbxLi(1-x)(PO3) e CsxLi(1-x)(PO3). As informações estruturais nestes vidros foram obtidas através de técnicas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de estado sólido de 7Li, 23Na, 27Al, 31P, 87Rb e 133Cs. A conectividade entre a rede de fosfatos e os átomos de Al foi estudada utilizando informações a respeito da distribuição de espécies tetraédricas de fosfatos Q2m , sendo m = 0,1, 2 o número de pontes P-O-Al por tetraedro, obtidas através de RMN de 31P, e do número de coordenação médio do Al obtido através de RMN de 27Al. Da análise quantitativa da evolução das diferentes populações Q2m com a concentração de Al, juntamente com o número de coordenação médio do Al, foi possível verificar a existência de comportamentos preferenciais na organização estrutural: tetraedros fosfatos compartilham um vértice único (oxigênio não-ponte) com os poliedros de coordenação do Al. Esta organização de médio alcance é mantida até uma determinada concentração de Al, onde todo tetraedro forma uma ponte P-O-Al . A distribuição das espécies Q2m resultante é do tipo binária em função da concentração de Al: { Q20, Q21 } até concentrações intermediárias e { Q21, Q22 } para concentrações altas. Para os metafosfatos de álcalis mistos, o comportamento do desvio químico de 23 Na e 133Cs revela um efeito sistemático de aumento/decréscimo no tamanho do ambiente de coordenação ao redor dos álcalis em função da substituição. O ambiente de O dos álcalis de menor raio iônico resulta comprimido quando ocorre a substituição deste por uma espécie de raio iônico maior, e vice-versa. Com relação à distribuição dos álcalis na rede vítrea, as evoluções dos desvios químicos em função da substituição excluem a possibilidade de segregação dos álcalis ou separação de fase. A análise do acoplamento dipolar homonuclear de 23 Na, através da medida do segundo momento, revelou que a mistura de Na com o segundo álcali não é aleatória, existindo uma maior probabilidade de um Na ter outro Na como próximo vizinho. A correlação entre o grau de não-aleatoriedade na dispersão do Na e o incremento na magnitude do efeito de álcalis mistos na condutividade DC dos metafosfatos de Rb-Na, K-Na e Li-Na sugere que os fenômenos estão fundamentalmente relacionados. Esta seria a primeira evidência de vínculo entre uma propriedade estrutural da distribuição dos álcalis e o efeito de álcalis mistos de uma propriedade dinâmica. / In this work, the structure of two ternary metaphosphate glass systems was analyzed: aluminum-phosphates and mixed-alkali. The aim of the study in aluminum-phosphates is to determine the existence of preferential structural connectivities between phosphate groups and Al, and to verify the possible extension to these ternary glasses of principles of structural organization valid in binary phosphates. The aluminum metaphosphates studied here were K(1-x)Alx(PO3)(2x+1) and Na(1-x)Alx(PO3)(2x+1) . In mixed-alkali metaphosphates the goal of the structural analysis is the identification of the way in which alkali cations are distributed in the glass network (segregation versus random mixture), and to determine what kind of modification in the local order around the alkalis are induced by the substitution of species. The mixed-alkali metaphosphate studied here were LixNa(1-x)(PO3), KxNa(1-x)(PO3, RbxNa(1-x)(PO3), RbxLi(1-x)(PO3) and CsxLi(1-x)(PO3). The structural information was obtained using solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) techniques of 7Li, 23Na, 27Al, 31P, 87Rb and 133Cs. The connectivity between the phosphate groups and Al was analyzed studying the populations of phosphate species Q2m, with m=0,1,2 being the number of P-O-Al bridges per tetrahedron, obtained using 31P-NMR, and considering the average coordination number of Al obtained by 27Al-NMR. Through the quantitative analysis of the evolution of the Q2m population with the Al concentration, it was possible to identify the existence of a preferential structural behavior: phosphate tetrahedra share only one common corner (non-bridging oxygen) with the coordination polyhedra around Al. This medium-range organization can be sustained up to a certain concentration of Al, to the point where every phosphate establishes a P-O-Al bridge. The resulting distribution of Q2m species can be identified as binary, as a function of the Al content: { Q20, Q21} up to intermediate concentrations and { Q21, Q22} for higher concentrations. In the mixed-alkali metaphosphates, the behavior of the 23Na and 133Cs chemical shift reveals a systematic increase/decrease in the average size of the coordination environment around the alkalis as a function of the substitution. The O environment around cations with the smaller ionic radius is compressed as this species is substituted by another alkali with bigger ionic radius, and vice-versa. With respect to the alkali distribution in the glass network, the observed evolution of the chemical shift as a function of the cation substitution excludes the possibility of segregation of alkalis or phase separation. The analysis of the 23Na homonuclear magnetic dipolar coupling, through the measurement of the second moment, revealed that the mixture at atomic scale of Na with the second alkali is not random, having a higher probability of a Na being close to other Na than to other alkali. The correlation between the degree of non-random dispersion of Na and the increment in the magnitude of the mixed alkali effect in the dc conductivity of Rb-Na, K-Na and Li-Na metaphosphates indicates a fundamental connection between both phenomena. This may be the first evidence of a relation between a structural property of the alkali distribution and the mixed alkali effect of a dynamical property.

Neste trabalho foram realizadas análises estruturais de dois conjuntos de vidros metafosfatos ternários relevantes em potenciais aplicações: aluminofosfatos e álcalis mistos. Para os aluminofosfatos a análise estrutural tem por objetivo verificar a existência de comportamentos preferenciais da conectividade entre os grupos fosfatos e os átomos de Al, e verificar a possível extensão a estes sistemas ternários de princípios de ligação química e ordem local inferidos em fosfatos binários, sendo os sistemas estudados K(1-x)Alx(PO3)(2x+1) e Na(1-x)Alx(PO3)(2x+1) . Para os vidros de álcalis mistos, a análise estrutural tem por objetivo identificar se existe segregação ou mistura aleatória das duas espécies de cátions, e determinar quais modificações na ordem local de cada álcali são induzidas pela troca de espécies, sendo os sistemas estudados LixNa(1-x)(PO3), KxNa(1-x)(PO3, RbxNa(1-x)(PO3), RbxLi(1-x)(PO3) e CsxLi(1-x)(PO3). As informações estruturais nestes vidros foram obtidas através de técnicas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de estado sólido de 7Li, 23Na, 27Al, 31P, 87Rb e 133Cs. A conectividade entre a rede de fosfatos e os átomos de Al foi estudada utilizando informações a respeito da distribuição de espécies tetraédricas de fosfatos Q2m , sendo m = 0,1, 2 o número de pontes P-O-Al por tetraedro, obtidas através de RMN de 31P, e do número de coordenação médio do Al obtido através de RMN de 27Al. Da análise quantitativa da evolução das diferentes populações Q2m com a concentração de Al, juntamente com o número de coordenação médio do Al, foi possível verificar a existência de comportamentos preferenciais na organização estrutural: tetraedros fosfatos compartilham um vértice único (oxigênio não-ponte) com os poliedros de coordenação do Al. Esta organização de médio alcance é mantida até uma determinada concentração de Al, onde todo tetraedro forma uma ponte P-O-Al . A distribuição das espécies Q2m resultante é do tipo binária em função da concentração de Al: { Q20, Q21 } até concentrações intermediárias e { Q21, Q22 } para concentrações altas. Para os metafosfatos de álcalis mistos, o comportamento do desvio químico de 23 Na e 133Cs revela um efeito sistemático de aumento/decréscimo no tamanho do ambiente de coordenação ao redor dos álcalis em função da substituição. O ambiente de O dos álcalis de menor raio iônico resulta comprimido quando ocorre a substituição deste por uma espécie de raio iônico maior, e vice-versa. Com relação à distribuição dos álcalis na rede vítrea, as evoluções dos desvios químicos em função da substituição excluem a possibilidade de segregação dos álcalis ou separação de fase. A análise do acoplamento dipolar homonuclear de 23 Na, através da medida do segundo momento, revelou que a mistura de Na com o segundo álcali não é aleatória, existindo uma maior probabilidade de um Na ter outro Na como próximo vizinho. A correlação entre o grau de não-aleatoriedade na dispersão do Na e o incremento na magnitude do efeito de álcalis mistos na condutividade DC dos metafosfatos de Rb-Na, K-Na e Li-Na sugere que os fenômenos estão fundamentalmente relacionados. Esta seria a primeira evidência de vínculo entre uma propriedade estrutural da distribuição dos álcalis e o efeito de álcalis mistos de uma propriedade dinâmica. / In this work, the structure of two ternary metaphosphate glass systems was analyzed: aluminum-phosphates and mixed-alkali. The aim of the study in aluminum-phosphates is to determine the existence of preferential structural connectivities between phosphate groups and Al, and to verify the possible extension to these ternary glasses of principles of structural organization valid in binary phosphates. The aluminum metaphosphates studied here were K(1-x)Alx(PO3)(2x+1) and Na(1-x)Alx(PO3)(2x+1) . In mixed-alkali metaphosphates the goal of the structural analysis is the identification of the way in which alkali cations are distributed in the glass network (segregation versus random mixture), and to determine what kind of modification in the local order around the alkalis are induced by the substitution of species. The mixed-alkali metaphosphate studied here were LixNa(1-x)(PO3), KxNa(1-x)(PO3, RbxNa(1-x)(PO3), RbxLi(1-x)(PO3) and CsxLi(1-x)(PO3). The structural information was obtained using solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) techniques of 7Li, 23Na, 27Al, 31P, 87Rb and 133Cs. The connectivity between the phosphate groups and Al was analyzed studying the populations of phosphate species Q2m, with m=0,1,2 being the number of P-O-Al bridges per tetrahedron, obtained using 31P-NMR, and considering the average coordination number of Al obtained by 27Al-NMR. Through the quantitative analysis of the evolution of the Q2m population with the Al concentration, it was possible to identify the existence of a preferential structural behavior: phosphate tetrahedra share only one common corner (non-bridging oxygen) with the coordination polyhedra around Al. This medium-range organization can be sustained up to a certain concentration of Al, to the point where every phosphate establishes a P-O-Al bridge. The resulting distribution of Q2m species can be identified as binary, as a function of the Al content: { Q20, Q21} up to intermediate concentrations and { Q21, Q22} for higher concentrations. In the mixed-alkali metaphosphates, the behavior of the 23Na and 133Cs chemical shift reveals a systematic increase/decrease in the average size of the coordination environment around the alkalis as a function of the substitution. The O environment around cations with the smaller ionic radius is compressed as this species is substituted by another alkali with bigger ionic radius, and vice-versa. With respect to the alkali distribution in the glass network, the observed evolution of the chemical shift as a function of the cation substitution excludes the possibility of segregation of alkalis or phase separation. The analysis of the 23Na homonuclear magnetic dipolar coupling, through the measurement of the second moment, revealed that the mixture at atomic scale of Na with the second alkali is not random, having a higher probability of a Na being close to other Na than to other alkali. The correlation between the degree of non-random dispersion of Na and the increment in the magnitude of the mixed alkali effect in the dc conductivity of Rb-Na, K-Na and Li-Na metaphosphates indicates a fundamental connection between both phenomena. This may be the first evidence of a relation between a structural property of the alkali distribution and the mixed alkali effect of a dynamical property.