酸處理對玻璃抗折強(qiáng)度的影響

趙泓帆

（同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江嘉興 314000）

玻璃會受到水、酸、堿和大氣等的侵蝕。水對玻璃的侵蝕主要是利用了水中的氫離子與玻璃中的鈉離子發(fā)生交換反應(yīng)，然后進(jìn)行水化、中和反應(yīng)生成Si(OH)4，從而破壞玻璃表層硅氧骨架，同時大部分Si(OH)4會附著在玻璃表面形成保護(hù)膜。酸可以侵蝕玻璃，改變其強(qiáng)度，對其結(jié)構(gòu)也會有所影響。而酸對玻璃的侵蝕實(shí)際上是通過酸溶液中的水分與玻璃接觸起作用，因此濃度大的酸要弱于濃度小的酸對玻璃的侵蝕程度[1]。

為了提高玻璃的強(qiáng)度，可以對玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化。化學(xué)鋼化是指先對玻璃進(jìn)行酸的預(yù)處理，然后再通過離子交換的方式制備鋼化玻璃。酸的預(yù)處理同樣可以提高玻璃的抗折強(qiáng)度，其原理是利用了酸對玻璃的侵蝕作用，處理玻璃表面的微裂紋來提高玻璃的抗折強(qiáng)度；或是在原有微裂紋深度不變的前提下，通過酸的預(yù)處理使裂紋的半徑增加，減少應(yīng)力的集中。因此，本實(shí)驗(yàn)以一定濃度的HF和H2SO4為侵蝕液，利用酸處理和化學(xué)鋼化原理提高玻璃強(qiáng)度，用控制變量法分析酸的種類、酸的濃度、侵蝕溫度和侵蝕時間對玻璃抗折強(qiáng)度的影響效果[2]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

120 mm×60 mm×3 mm的玻璃基片，35%濃度的HF，35%濃度的H2SO4。

SKZ-10000A數(shù)顯式抗折儀，無錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司；化學(xué)鋼化爐；酸槽。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溶液配制

配置7組不同濃度（2%、7%、10%、14%、21%、28%、34%）的H2SO4溶液和HF溶液分別置于酸槽中。

1.2.2 侵蝕時間對玻璃強(qiáng)度的影響

將玻璃基片劃分成若干個小的玻璃樣品，取6組放入濃度為10%的H2SO4溶液中，編號為1～6。為了確定侵蝕時間對抗折強(qiáng)度的影響，控制實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，侵蝕的時間分別設(shè)置為1 min、4 min、6 min、10 min、30 min和60 min。將酸處理后的玻璃樣品放入化學(xué)鋼化爐中，與450 ℃的混合熔鹽進(jìn)行離子交換后，測量其抗折強(qiáng)度。

1.2.3 侵蝕溫度對玻璃強(qiáng)度的影響

取3組玻璃樣品浸入相同濃度的H2SO4溶液中（硫酸濃度為7%），編號1～3。為了確定侵蝕溫度對玻璃抗折強(qiáng)度的影響，侵蝕溫度分別設(shè)置為25 ℃、30 ℃和35 ℃；控制侵蝕時間為5 min，將酸處理后的玻璃樣品放入化學(xué)鋼化爐中，與450 ℃的混合熔鹽進(jìn)行離子交換后，測量其抗折強(qiáng)度。

1.2.4 酸種類對玻璃強(qiáng)度的影響

將7組不同濃度的H2SO4溶液和HF溶液進(jìn)行兩兩混合，編號為1～7。將7組樣品浸入7組H2SO4溶液和HF溶液的混合液中；控制實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，侵蝕時間為15 min。分析酸的種類對玻璃抗折強(qiáng)度的影響效果，并測量其抗折強(qiáng)度。

2 結(jié)果和討論

2.1 侵蝕時間對玻璃強(qiáng)度的影響

侵蝕時間對玻璃強(qiáng)度的影響見表1。在控制其他因素的前提下，抗折強(qiáng)度隨著侵蝕時間的增加而增大，當(dāng)侵蝕時間為30 min時，其抗折強(qiáng)度最佳。

表1 侵蝕時間對玻璃強(qiáng)度的影響

2.2 侵蝕溫度對玻璃強(qiáng)度的影響

侵蝕時間對玻璃強(qiáng)度的影響見表2。在控制侵蝕時間為5 min的前提下，玻璃的抗折強(qiáng)度隨侵蝕溫度的升高而增大，當(dāng)侵蝕溫度為35 ℃時，抗折強(qiáng)度達(dá)到103.47 MPa。

表2 侵蝕溫度對玻璃強(qiáng)度的影響

2.3 酸的種類與濃度對玻璃抗折強(qiáng)度的影響

酸的種類與濃度對玻璃抗折強(qiáng)度的影響見表3。控制侵蝕時間與侵蝕溫度一定，28% H2SO4+34% HF的組合酸對玻璃進(jìn)行侵蝕時，玻璃抗折強(qiáng)度最大，達(dá)到132.44 MPa；在酸總濃度一定的情況下，HF酸濃度高于H2SO4濃度，玻璃抗折強(qiáng)度更大。

表3 酸的種類與濃度對玻璃抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

玻璃的抗折強(qiáng)度受到侵蝕時間、侵蝕溫度和侵蝕酸的組成等因素的影響，通過控制變量法進(jìn)行玻璃的侵蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最佳的侵蝕時間為30 min，最佳侵蝕溫度為35 ℃；在侵蝕酸總濃度一定的情況下，HF酸濃度高于H2SO4濃度，玻璃抗折強(qiáng)度更大，最佳侵蝕酸組合為28% H2SO4+34% HF。