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【1】1.5.1玻璃的侵蚀机理

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-25  来源:www.shuijing.info  作者:水晶信息网  浏览次数:558
核心提示:1.5.1玻璃的侵蚀机理
 1.5.1玻璃的侵蚀机理

      玻璃对于不同介质具有不同的抗蚀能力,因此应该对玻璃的耐水性、耐酸性、耐碱性以及耐气体侵蚀性等分别进行研究。
     (1)水对玻璃的侵蚀    水对不同成分的玻璃侵蚀情况不同。硅酸盐玻璃在水中的溶解过程比较复杂,水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+离子和玻璃中的
Na+离子进行离子交换,其反应为:
              [SiO3] - O-Na  +H2O   =  [SiO3] -OH + NaOH                        (1-24)
    这一交换又引起下列反应:
   [SiO3]-OH+3/2H2O  =  Si(OH)4                                             (1-25)
     Si(OH)4 + NaOH   =  [si(OH)3O]Na   +  H2O               (1-26)
     上述三个反应互为因果,循环进行。随着如式(1-24)的反应进行,反应产物 [SiO3]-OH 增多,催使与水发生如式(1-25)的反应,生成物Si(OH)4接着发生的是如式(1-26)的反应。[Si(OH)3O]Na   的电离度低于NaOH的电离度,因此这一反应使溶液中Na+浓度降低,促使前一反应进行。
     随着水化反应继续,Si原子周围原有的四个桥氧成为OH,形成Si(OH)4,这是H2O分子对硅氧骨架的直接破坏。反应产物Si(OH)4是一种极性分子,它能使周围的水分子极化,而定向地附着在自己周围,成为Si(OH)4・nH2O,这是一个高度分散的SiO2-H2O系统,通常称为硅酸凝胶。它具有较强的抗水和抗酸能力,因此,有人称之为“硅胶保护膜”,并认为保护膜层的存在,使Na+和H+的离子扩散受到阻挡,离子交换反应速率越来越慢,以致停止。
      但许多实验证明,Na+和H2O分子在凝胶层中的扩散速率比在未被侵蚀的玻璃中要快得多。其原因如下。
    ①由于Na+被H+代替,H+半径远小于Na+半径,从而使结构变得疏松。
    ②由于H2O分子破坏了网络,也有利于扩散。因此,硅酸凝胶薄膜并不会使扩散变慢。进一步侵蚀之所以变慢以致停顿的原因,是由于在薄膜内的一
定厚度中,Na+已很缺乏,而且随着Na+含量的降低,其他成分如R2+(碱二金属或其他二价金属离子)的含量相对上升,这些二价阳离子对Na+的“抑
制效应”(阻挡作用)加强,因而使H+与Na+交换缓慢,在玻璃表面层中,如式(1-24)的反应几乎不能继续进行,从而使如式(1-25)和式(1-26)的反应相继停止,结果使玻璃在水中的溶解量几乎不再增加,水对玻璃的侵蚀也就停止了。
     对于Na2O-SiO2系统的玻璃,则在水中的溶解将长期继续下去,直到Na+离子几乎全部被侵蚀出为止。但在含有RO、R2O3、RO2等三组分或多组分系统玻璃中,由于第三、第四等组分的存在,对Na+的扩散有巨大影响。它们通常能阻挡Na+的扩散,且随Na+相对浓度(相对于R2+、R3、R4+的含量)的降低,则所受阻挡越大,扩散越来越慢,以至几乎停止。
     (2)酸对玻璃的侵蚀     除氢氟酸外,一般的酸并不直接与玻璃起反应,而是通过水对玻璃起侵蚀作用。酸的浓度大意味着其中水的含量低,因此,
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。然而酸对玻璃的作用又与水对玻璃的作用有所不同。
      首先,在酸中H+浓度比水中的H+浓度大,所以H+与Na+的离子交换速率在酸中比在水中快,即在酸中反应[式(1-24)]有较快的速率,从而增加了玻璃的失重;其次在酸中由于溶液的pH值降低,从而使Si(OH)4的溶解度减小,也即减慢了式(1-26)的反应速率,从而减少了玻璃的失重。
     当玻璃中R2O含量较高时,前一种效果是主要的;反之,当玻璃含SiO2较高时,则后一种效果是主要的。即高碱玻璃的耐酸性小于耐水性,而高硅玻璃的耐酸性则大于耐水性。
    (3)碱对玻璃的侵蚀     硅酸盐玻璃一般不耐碱,碱对玻璃的侵蚀是通过OH- 破坏硅氧骨架(=Si-O-Si=),使Si-O 键断裂,网络解体,产生
=Si-O-群,使SiO2溶解在碱液中,其反应为:
1-27
      而且又由于在碱液中存在如下反应:
1-28

      该反应能不断地进行(此时NaOH不像水对玻璃的侵蚀那样仅由离子交换而得),所以使碱对玻璃的侵蚀过程不生成硅胶薄膜,而是玻璃表面层不断脱落,玻璃的侵蚀程度与侵蚀时间成直线关系。此外玻璃的侵蚀程度还与阳离子的种类有关,见图1-13。
图1-13
      由图1-13可知,在相同pH值的碱溶液中,不同阳离子的侵蚀顺序为:
1-26
     另外,阳离子对玻璃表面的吸附能力以及侵蚀后玻璃表面形成的硅酸盐在碱溶液中溶解度大小,对玻璃的
侵蚀也有较大影响。例如Ca(OH)2溶液对玻璃的侵蚀较小,其原因就在于玻璃受侵蚀后生成硅酸离子与Ca2+在玻璃表面生成溶解度小的硅酸钙,从
而阻碍了进一步被侵蚀的缘故。
       除此之外,玻璃的耐碱性还与玻璃中R一O键的强度有关。R+和R2+随着离子半径的增加,耐碱性降低,而高场强、高配位的阳离子能提高玻璃的耐
碱性。
       综上所述,碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同。水或酸(包括中性盐和酸性盐)对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解(沥滤)玻璃结构组成中的
R2O、RO等网络外物质;而碱性溶液不仅对网络外氧化物起作用,而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
    (4)大气对玻璃的侵蚀    大气的侵蚀实质上是水汽、CO2、SO2等作用的总和。玻璃受潮湿大气的侵蚀过程首先开始于玻璃表面。玻璃表面的某些离子吸附了空气中的水分子,在玻璃表面形成了一层薄薄的水膜,如果玻璃组成中R2O等含量少,这种薄膜形成后就不再继续发展;如果玻璃组成中R2O含量较多,则被吸附的水膜会变成碱金属氢氧化物的溶液,并进一步吸附水,同时使玻璃表面受到破坏。
       实践证明,水汽比水溶液具有更大的侵蚀性。水溶液对玻璃的侵蚀是在大量水存在的情况下进行的,因此从玻璃中释出的碱(Na+)不断转入水溶液中(不断稀释)。所以在侵蚀的过程中,玻璃表面附近水的pH值没有明显的改变。而水汽则不然,它是以微粒水滴黏附于玻璃的表面。玻璃中释出的碱不能被移走,而是在玻璃表面的水膜中不断积累。随着侵蚀的进行,碱浓度越来越大,pH值迅速上升,最后类似于碱液对玻璃的侵蚀,从而大大加速了玻璃的侵蚀,因此水汽对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程,后来逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程,即水汽比水对玻璃的侵蚀更强烈。在高温、高压下使用的水位计玻璃侵蚀特别严重,就是与水汽的侵蚀特性有关。
 
关键词: 玻璃 侵蚀机理
 
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