CC BY
20
УДК 666.3: 666.11.01 Л.Б. Воробьёва СГГА, Новосибирск
ИЗУЧЕНИЕ ВЫХОДА КОМПОНЕНТОВ СИЛИКАТНЫХ СТЁКОЛ В ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ
L.B. Vorobieva
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
A STUDY OF GOING OUT OF THE COMPONENTS OF SILICA GLASSES INTO THE WATER SOLUTIONS
The study has been made of the effect of composition of the glasses type K2O - PbO - SiO2 on the acid stability. It has been found that the stability of the low crown glasses depend the K2O content of glass.
Целью настоящей работы являлось изучение выхода в кислые растворы одно- и двухвалентных катионов из структуры силикатных стёкол. Кислые растворы используются для формирования на полированной поверхности стеклянных изделий плёнок с более низким по отношению к матричному стеклу показателем преломления [1]. Растворы кислот являются фоновыми электролитами для используемых высокоэффективных полирующих суспензий [2].
В опытах использовались три марки силикатного стекла системы K2O -PbO - SiO2. Готовое стекло подвергалось грубому и тонкому отжигу. Состав стёкол приведён в табл. 1.
Таблица 1. Состав образцов стёкол
N стекла Состав (по синтезу), мол %
K2O PbO SiO2
1 7,7 23,1 69,2
2 7,7 33,3 60
3 5,9 41,2 52,9
На диаграмме состояния трёхкомпонентной системы К^ - PbO - SiO2 все три стекла относятся к фазовому полю сложного силиката стекла с возможностью существования в этом поле бисиликата типа РЬО - 2SiO2.
Оценка выхода компонентов стекла в водный травящий раствор проводилась наиболее универсальными методами: по величине потери массы и анализу состава травящего раствора. Травление моделировалось на порошках стёкол приготовленных дроблением в шаровой мельнице с последующей классификацией на ситах. Средний размер частиц - 200 мкм. Навеска порошка стекла в 0,4 см , предварительно промытого ацетоном и высушенного, помещалась в фильтр Шотта и доводилась до постоянной массы при температуре 120 °С. Удельная поверхность приготовленного таким
2 3
образом порошка соответствует 0,15 м /см (по величине десорбированного аргона). Травление порошка проводилось из 10 мл раствора в течение 17 часов. По окончании травления стекло промывалось водой до отсутствия реакции на компоненты травящего раствора. Затем стекло в фильтре Шотта доводилось до постоянной массы при температуре 120 °С. Разница в массе (А m) является мерой разрушения поверхностного слоя стекла. Количества K 2O и PbO в травящем растворе определялись методом пламенной фотометрии.
В табл. 2 приведены результаты травления стёкол в растворах серной, хлорной, хлороводородной и азотной кислот.
Анализ приведённых результатов показывает, что химическая устойчивость стёкол № 1, 2, 3 резко уменьшается по сравнению с устойчивостью их в воде. При этом порядок расположения параметров, характеризующих химическую устойчивость в рассматриваемом ряду кислот для каждого стекла, показывает, что кислотоустойчивость стёкол в значительной мере обусловлена растворимостью образующихся поверхностных соединений калия и свинца. Данные о растворимости солей калия и свинца приведены в табл. 3.
Наибольшей кислотоустойчивостью все стёкла обладают в растворе H2SO4. Образующийся мелкодисперсный осадок труднорастворимой соли PbSO4 отлагается в порах поверхностного слоя и препятствует диффузии компонентов травящего раствора в глубину стекла. Это также способствует формированию более тонкопористой структуры, чем та, которая формируется в результате травления HClO4; HNO3 и HCl. Подобное сдерживание разрушения стёкол в растворе H2SO4 на двух в одинаковой степени неустойчивых стёклах № 2 и № 3 проявляется в большей степени для стекла с большим содержанием PbO. Соотношение количеств покинувших стекло окислов показывает, что относительное количество перешедшего в раствор PbO не зависит от природы кислоты и составляет 56 мол. % от всей массы растворённого стекла. Щелочной компонент переходит в растворы HNO3 и HClO4 в одинаковом соотношении. Повышенный выход K2O в раствор HCl происходит, возможно, из-за особенностей пептизации кремниевой кислоты. Отмеченные особенности разрушения стекла № 3 можно интерпретировать как подтверждение того, что устойчивость стекла № 3 полностью обуславливает PbO, который переходит в растворы HCl, HNO3 и HClO4 в количестве (относительно всей растворённой части стекла), не зависящем от аниона кислоты.
Для стекла № 2 увеличение массы перешедшего в раствор стекла (А т)
соответствует растворимости соответствующих солей К +. Уменьшение выхода PbO в раствор HCl в сравнении с раствором HNO3 можно объяснить ограниченной растворимостью PbCl2. Двукратное превышение устойчивости стекла № 2 в HClO4 над устойчивостью в HCl и HNO3 (по величине А m) происходит из-за малой растворимости перхлората калия. Содержание KClO4 в травящем растворе меньше количества необходимого для насыщения, но в порах поверхностного слоя, возможно, присутствует насыщенный раствор. Соотношение K2O : PbO в растворе соответствует составу стекла. Таким
образом, устойчивость стекла № 2 определяет щелочная компонента. Степень растворимости солей свинца влияет лишь на относительный выход PbO из стекла.
Таблица 2. Разрушение стекла в кислых растворах
Электролит, которым обрабатывалось стекло Потеря массы А т Выход компонентов в стёкла в травящий раствор
№ стекла 103 г/0,4 см3 Масса, % РЬ0 К20
103 г/0,4 см3 Мол. % 103 г/0,4 см3 Мол. %
Н20 - - Не обнаружено 0,04 -
% H2SO4, 0, 1н р-р 1,80 0,12 Не обнаружено 0,19 -
о ч и НС104, 0, 1н р-р 2,92 0,19 2,38 36 0,20 6
и н О НС1, 0, 1н р-р 3,50 0,23 2,36 30 0,23 7
НШз, 0, 1н р-р 4,47 0,29 3,05 31 0,27 6
Н2О 2,95 0,16 Не обнаружено
£ H2S04, 0, 1н р-р 33,00 1,80 Не обнаружено
о ч ►й НС104, 0, 1н р-р 52,55 2,90 45,60 44 5,95 8
и н О НШ3, 0, 1н р-р 90,00 5,00 68,00 40 6,05 9
НС1, 0, 1н р-р 93,24 5,20 57,35 31 6,45 9
Н2О 1,50 0,07 Не обнаружено 0,02 2
т £ H2S04, 0, 1н р-р 19,00 0,15 Не обнаружено 6,25 43
О ч ►й НС1, 0, 1н р-р 51,54 2,57 49,50 56 9,06 24
и н О НШз, 0, 1н р-р 99,57 4,97 97,05 56 6,66 9
НС104, 0, 1н р-р 101,00 5,15 101,00 57 6,88 9
I 9+
Таблица 3. Растворимость солей К и РЪ при 20 °С
Соли свинца Соли калия
Соль ПР Растворимость, г/100 мл Соль ПР Растворимость, г/100 мл
РЬБ04 1,6-10-8 3,7-10-3 К2Б04 - 10,0
РЬ(С104)2 - 400,0 КС104 1,Ы0-2 1,52
РЬС12 1,6-10-5 0,7 КС1 - 25,5
РЬ(Шз)2 - 34,3 КШ3 - 24,0
С учётом отмеченных особенностей устойчивость стёкол № 2 и № 3 практически одинакова. Устойчивость стекла № 1 согласуется с
растворимостью солей К+ и на порядок выше устойчивости стёкол № 2 и № 3.
Показано, что кислотоустойчивость стёкол состава К20 - РЬО - БЮ2 низкосвинцовых стёкол определяется содержанием К20. Стёкла с относительно высоким содержанием РЬО одинаково кислотонеустойчивы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ястребов, Л.С., Погодаев, А.К., Добычин, Д.П. О влиянии состояния поверхности стекла на пористую структуру плёнок кислотного травления на нестойких стёклах. - Коллоидный журнал. - 1960. - т. XXII, вып. 2. - С. 243-246.
2. Воробьёва, Л.Б., Окатов, М.А. О связи между скоростью сполировывания стекла и его составом на примере системы К20 - РЬ О- БЮ2. - Оптико-механическая промышленность. - 1975. - № 6. - С. 26-27.
© Л.Б. Воробьёва, 2009
