Химическая стойкость

Три свойства сочетающиеся в стекле делают его уникальным твердым материалом, который практически нечем заменить.

Химической устойчивостью стекла называется его способность противостоять разрушающему действию воды, влаги и газов атмосферы, растворов солей и различных химических реагентов.

Стекло по сравнению с другими материалами отличается высокой химической устойчивостью, которая зависит от его химического состава и природы действующего реагента и от способа обработки стекла. Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уникальных его свойств.

На этом свойстве основано их широчайшее применение: для изготовления предметов быта, оконных стёкол, стёкол для транспорта, стеклоблоков и многих других строительных материалов, предметов медицинского, лабораторного, научно-исследовательского назначения, и во многих других областях.

Химическая стойкость стекла высокая: разрушающе действуют на него только горячие щелочи и плавиковая и фосфорная кислоты. Это объясняется химическим составом стекла, его высокой плотностью и способностью при действии водных растворов образовывать на поверхности защитный слой, богатый кремнеземом.

По характеру действия на стекло реагенты можно разделить на две группы. 1) вода, атмосферная влага, растворы кислот (кроме плавиковой и фосфорной), нейтральные или кислые растворы солей, т.е. реагенты с рН, равным 7 и ниже.

Кислоты, за исключением плавиковой и фосфорной, практически не действуют на стекло.

При действии воды происходит гидролиз стекла, в результате которого некоторое количество щелочи и других растворимых компонентов переходит в воду.

Природа химической устойчивости и сущность процессов, происходящих при разрушении стекла, подробно изучены И.В.Гребенщиковым. Он установил, что силикаты, находящиеся на поверхности стекла, вступая во взаимодействие с водой или влагой воздуха, гидролизуются, образуя щелочь и гель кремниевой кислоты. Щелочь вымывается с поверхности стекла (вымываются ионы Na+ и Са+), а гель кремниевой кислоты остается и образуется химически стойкая пленка, обогащенная Si0₂. Кремниевая кислота замедляет процесс дальнейшего разрушения стекла. От толщины слоя защитной пленки и его плотности зависит скорость диффузии через этот слой молекул воды. Процесс разрушения стекла резко замедляется при толщине защитной кремнеземистой пленки более 50 нм.

По отношению к действию воды стекла делят на пять гидролитических классов.

I - стекла, практически неизменяемые водой,

II - относятся устойчивые стекла;

III – твердые аппаратные; натрий-кальций-силикатные, калий-свинцово-силикатные

IV -мягкие аппаратные стекла. калий-свинцово-силикатные

V - неудовлетворительные стекла;

Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью, относятся к границе классов II и III или к началу класса III.

Калиево-натриевые стекла химически более устойчивы, чем чисто натриевые или чисто калиевые (эффект двух щелочей).

Химическая устойчивость силикатных стекол к действию реагентов первой группы существенно зависит от их химического состава, в основном от содержания в стекле кремнезема и щелочных оксидов.

Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде и кислым агрессивным средам обладает кварцевое стекло, но по отношению к щелочам оно тоже малоустойчиво, как и другие стекла.

Введение в стекло кремнезема значительно повышает химическую устойчивость стекла, с большое содержание малорастворимых окислов Al, бора В, Zn, Pb, Mg, - эффективно повышает химическую устойчивость, а введение окислов щелочных и щелочноземельных металлов, наоборот, значительно ее снижает.

Силикаты щелочноземельных металлов более химически устойчивы, чем силикаты щелочных металлов.

Цинксодержащие стекла отличаются высокой химической устойчивостью, а свинецсодержащие стекла – низкой.

!!! Разрушение стекла возможно не только при его прямом смачивании, но и при неудовлетворительных условиях упаковки, хранения и транспортировки. Условия, способствующие конденсации влаги на поверхности стекла, являются неблагоприятными и приводят к его разрушению.

!!!! Нет таких стекол, которые бы совсем не реагировали с водой и щелочами.

2) реагенты с рН среды выше 7, т.е. растворы щелочей, карбонатов и других компонентов. По механизму воздействия к этой группе относятся также плавиковая и фосфорная кислоты. Реагенты второй группы разрушают непосредственно кремне-кислородный каркас стекла. В результате полностью удаляются поверхностные слои, причем скорость разрушения остается постоянной, а глубина разрушения пропорциональна времени действия раствора.

!!! Щелочеустойчивость стекол мало зависит от их состава.
Химическая устойчивость стекол к реагентам второй группы значительно ниже, чем к реагентам первой группы.

При длительном воздействии щелочей (реагентов 2 ой группы) на стекло происходит его выщелачивание, изменение состава, вида (поверхность стекла становится матовой) и свойств (ухудшается прозрачность и т.д.).

В результате воздействия щелочей на стекло образуются стабильные анионы типа SiO₃^2–, SiO₄ ^4–, Si2О₅^2– и соответствующие легкорастворимые силикаты щелочных металлов.

Сила воздействия гидроксидов щелочных металлов при одинаковой нормальности уменьшается в ряду (HF) – NаОН – КОН – LiОН – NН4ОН. Растворы карбонатов натрия и калия также оказывают сильное разрушающее действие на стекло. Плавиковая кислота обладает наибольшим разрушающим воздействием на стекло. При воздействии на стекло плавиковой кислоты разрушение стекла сопровождается образованием летучих фтористых соединений кремния.

Однако химическая устойчивость стекла зависит и от его обработки.

Так, она повышается после выдувания стекла из стекломассы, а также после отжига в печах, атмосфера которых содержит сернистый ангидрид. Это объясняется тем, что при высокой температуре между соединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами, содержащимися в окружающей стекло атмосфере, протекает реакция, причем лишь на поверхности стекла. Этот процесс условно называется обесщелачиванием поверхности стекла.

Для специальных целей выпускают химически-стойкое стекло, а также стекло, стойкое к тем или иным видам агрессивных воздействий.

Дата добавления: 2014-01-07