Химическая обработка стекла. Способы упрочнения: травление, ионный обмен

Неорганические стекла относятся к достаточно инертным и химиче­ски устойчивым материалам. Однако при известных условиях проявля­ется повышенная физико-химическая активность поверхности стёкол, заложенная в самой их природе. Стекло, обычно содержащее щелочные компоненты, в той или иной мере гидролизуются с об­разованием на поверхности силанольных (—Si0Н) и других реакционноспособных групп, стимулирующих появление на поверхности энерге­тически неуравновешенных хемосорбционных центров.

Процесс травления стекла основан на свойстве фтористого водорода активно взаимодействовать не только со щелочными компонентами (N₂0, К₂О, Li₂O) и другими модификаторами (СаО, МgО, ВаО, РbО и ZnО), но также, что особенно важно, с оксидом кремния,. образующим структурный каркас большинства неорганических стёкол. В результате такого взаимодействия НF разрушает структурный каркас и наступает быстрое разложение стекла — травление. Большинство фторидов, фтористый водород, а также свободный фтор только в присутствии паров воды вступают во взаимодействие со щелочным силикатным стеклом, образуя фтористый кремний, фториды кальция, натрия по реакции Na₂O·CaO·6SiO₂+28HF→6SiF₆+CaF₂+2NaF+14H₂O

Т.о., в процессе травления с помощью паров или раство­ра НF одни компоненты стекла растворяются и переходят в раствор в процессе травления, а образующиеся нерастворимые и малорастворимые соли отлагаются и прочно удерживаются на поверхности стекла, придавая ему матовость. Высокая концентрация травильного раствора ускоряет процесс травления, а с увеличением его продолжительности возрастают коли­чество вытравленного стекла и скорость его разложения. Обычно травление продолжается от 1 мни до нескольких часов при 18—20 °С. На ускорение процесса травления также влияет движение травиль­ного раствора, препятствующее осаждению на поверхности стекла пло­хо растворимых продуктов реакции. Поверхность стекла, которая не должна подвергаться травлению, защищают, нанося на нее кислотоупорные покрытия: лаки, смолы, жи­вотный и растительный воск и жиры. Области применения и технология химического травлении определя­ются конечным эффектом, достигаемым в ходе такой обработки стекла. В частности, различают применение химического травления стекла для полирования, матирования или декорирования его поверхности, а так­же с аслью упрочнения стекла. Упрочнение травлением основывается на существенном улучшения состояния поверхности стекла путем удаления или «залечивания» по­верхностных дефектов при обработке поверхности стенда различными химическими реагентами. Наибольший эффект упрочнения стекла до­стигается яри во1м0жи0 более водном удаления поверхностного дефект­ного слоя (обычно на глубину 50—150 мкм) в результате его растворе­нии (травления) агрессивно действующими на стекло растворам* кис­лот я щелочей Обычно дли «той цели ори чек «ют растворы плавиковой кислоты или ее смесей с серной, азотной или фосфорной кислотами.

Характер и интенсивность удаления дефектного слоя с поверхности стекла, а следовательно, возможная степень увеличении его прочности и термической стойкости зависит от химической природы стекла, соста­ва и концентрации гранильных кислотных реагеитон, времени н глуби­ны травления стекла н температуры растворов.

Ионный обмен и поверхностном слое стекла происходит с целью упрочнения, а также видоизменения других физико-химических свойств поверхности преимущественно щелочесодержащих стекол. Посредством диффузии ноны поверхностного слоя стекла замешаются ионами реагента, кото­рый может контактировать со стеклом, находясь в различном фазовом состояния: расплавленном, твердом или газообразном.

Высокотемпературный ионный обмен состоит в замене ионов стекла чаще всего Na⁺, K⁺ или обоих вместе на катионы Li⁺ из реагента (рас­плава, газовой фазы) при осуществлении данного процесса в высоко­температурной области (500—700"С) с целью увеличения подвижности диффундирующих ионов. Про­должительность выдержки в расплаве подбирается в зависимости от вида стекла и реагента и колеблется от 20 до 240 мин. В результате замены модифицирован­ный таким путем поверхностный слой стекла приобретает меньший ко­эффициент термическою расширения. При высокотемпературном ионном обмене прочность стекла увели­чивается в 2-2,5 раза, термостойкость — в 1,8—2 раза, повышается хи­мическая устойчивость поверхности (к кислотам) и ее электросопротивление.

Низкотемпературный ионный обмен сводится к замещению щелоч­ных ионов в стекле щелочными ионами большего радиуса, т.е. в стек­лах, содержащих натрий, последний замещается на К, Rb и др., a в содержащих Li последний замещается на Na, К, Rb и др.

Наряду с изменением характера взаимодиффузии ионов в поверх­ностных слоях стекла процесс осуществляется в более низкой темпера­турной области (400—450), т.е. ниже температуры, при которой в стекле возможна релаксация напряжений, образующихся при ионном обмене. Образование напряжений в данном случае обусловлено увели­чением плотности упаковки ионов в обменном слое, который, стре­мясь в связи с этим увеличить свой удельный объем, однако, лишен этой возможности, поскольку связан с высоковязкими внутренними слоя­ми (жесткой матрицей), и невозможность деформации в них условных поверхностного слоя служит источником его перехода в напряженное состояние.

При низкотемпературном ионном обмене образуется сравнительно небольшой по толщине сжатый слой (порядка 20—40 мкм), однако в ней развиваются интенсивные напряжения сжатия, в результате чего эффект упрочнения стекла достигается намного больший (в 3—7 раза и более), чем при высокотемпературном процессе.

С ростом температуры скорость диффузии ионов и глубина их про­никания в стекло увеличиваются, однако при этом усиливается релак­сация напряжений, т.е. их значение и упрочняющее действие снижа­ются.

Ионный обмен в настоящее время все шире используется для регу­лирования в требуемом направлении прочности.