Schott技术资料-30

先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：1/10第30篇：光学玻璃的化学性能1 概述光学玻璃由其化学组成、熔炼过程和完成方法等获得其相应性能。

为了获得特有的光学性能，经常要必须选择一些可能造成产品化学稳定性欠佳的化学组分[1]。

由于这个原因，不同光学玻璃受外界影响和化学要求的化学稳定性，相对来说差别很大。

水（H2O）或它的离子H+（氢离子会使水溶液呈酸性）或OH-（氢氧根离子会使水溶液呈碱性），总是起着关键性的作用。

pH值的大小说明水溶液是呈中性（p H≈7）、酸性（pH＜7），还是呈碱性（pH＞7）。

水或它的离子的多少是很重要的，比如在水溶液中冲洗玻璃，水很充足，而空气中的水分、排汗或冷凝等就只有很少的水。

含水充足的溶液在与玻璃反应时，溶液的pH值几乎是不变的。

如果只有很少的水，大气混合物，如空气中的二氧化碳，或重工业地区的二氧化硫等都能溶解在水中，使水呈酸性。

当玻璃的碱离子溶入水溶液，使溶液呈碱性时，碱性反应就能发生。

1.1 膜的形成在大量的中性或酸性介质中，化学反应过程就会出现。

在这个反应过程中，玻璃中的阳离子（多半是碱离子）与溶液中的氢离子进行交换。

溶解层也称为“硅凝胶层”，因为它的组成是在整个时间过程中形成的。

膜层的厚度与玻璃的化学稳定性有关。

当膜层的厚度达到大约1/4可见光波长时，由于产生干涉色，所以，用肉眼就能看到。

如果膜层进一步变厚，它就会漫漫变白。

当膜层足够厚时，膜层可能破裂，或在玻璃表面形成渣层。

另一方面，碱性溶液中的氢氧根离子会破坏构成玻璃结构的硅离子之间的结合力，玻璃被溶解。

这些反应过程能够在玻璃抛光和清洗操作中起到一定的作用。

玻璃的耐酸、耐碱和耐磷酸数据对玻璃的化学稳定性给出了一种常规的表示。

SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：2/101.2 局部侵蚀和污斑的形成湿度和温度的变化对玻璃表面能够造成局部侵蚀，通过耐气候稳定性试验可以具体来做。

与在充足水溶液中膜的形成不同，只有少量水分（水分不足）的水溶液也能导致污斑的形成，靠对玻璃元件的溶解产生相互作用。

耐污染试验可用弱酸溶剂来模拟水分不足时（如：口气，指印等）的效果。

1.3 玻璃组分与化学稳定性之间的关系为了更好地了解在光学玻璃表面可能发生的化学反应，我们给出了如下的说明：当玻璃中含有大量的弱水解组分时（如：SiO2、AL2O3、TiO2和稀土氧化物等），这些玻璃通常不会受到水解，也不会受到局部侵蚀。

如果玻璃中存在大量的强水解物质（如：碱、土碱氧化物以及象硼、磷氧化物这类更易水解的物质），那么，根据操作条件很可能发生变化很大的强烈化学反应。

这些反应足以能够在玻璃表面形成可脱落的膜层。

的化学侵蚀深度（肉眼能看到脱落和形成的膜）用作耐酸、耐碱、耐磷酸我们把0.1m和耐污染试验的规定值。

这些简短的说明使我们明白，使用单一的某一种试验方法不可能充分描述所有光学玻璃的化学性能。

因此，光学玻璃加工者必须综合了解这些化学关系，以便在加工过程中不出现有害的变化。

玻璃加工者应该对数据表中列出的化稳类别予以合理的重视和考虑。

要作出一个决定，可能必须要考虑几种试验方法的结果。

有三种化稳试验方法已经成为国际标准：- 耐酸试验方法(SR) —ISO 8424: 1996[2]- 耐碱试验方法(AR) —ISO 10629: 1996[3]- 耐磷酸试验方法(PR) —ISO 9689: 1990[4]耐气候试验方法(CR)目前作为推荐性标准使用（ISO/DIS 13384 [5]）。

SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：3/10 2 耐气候稳定性（ISO/DIS 13384）耐气候稳定性讲的是光学玻璃在高的相对湿度和温度下的表现。

空气中水蒸汽的影响，特别是在高温高湿情况下，能够引起玻璃表面发生变化，形成通常擦不掉的雾状的膜。

这种化学过程是玻璃与少量的水发生的一种反应。

在正常气候条件下这些变化发生得很慢，即使是比较灵敏的玻璃。

为了做玻璃的耐气候稳定性试验，我们采用了一种加速的方法。

把抛光未镀膜的玻璃片放在水蒸气饱和的环境中，温度在40℃到50℃之间随时间交替变化。

在加热阶段，由于玻璃片的温度比环境温度升得慢，所以，水会凝结在玻璃上。

在冷却阶段，开始时环境温度要比玻璃片的温度下降得快，这样会使玻璃表面变干。

这由加热器来加速这种试验。

试验30h后，从环境试验箱中取出玻璃。

玻璃表面的侵蚀程度，通过测量样品侵蚀前、∆，后的浊度差来确定。

浊度测量采用积分球式浊度计进行。

根据试验30h后测量的浊度H进行分类定级。

表2-1列出了耐气候稳定性的类别。

表2-1：光学玻璃耐气候稳定性类别CR1类玻璃表示经过30h气候变化后看不到侵蚀。

在正常湿度条件下，CR1类玻璃在加工和储存过程中，玻璃表面不会有侵蚀现象出现。

另一方面，CR4类玻璃经过30h试验后，浊度增加值可能达到或超过2.0%，因此，这类玻璃在加工和储存过程中要特别当心，因为这类玻璃对气候的影响十分灵敏。

对抛光件的保管，建议镀保护膜保护，或者确实能保证相对湿度尽可能地低。

SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：4/10 SCHOTT80%以上的光学玻璃，耐气候稳定性都能达到CR2类或好于CR2类。

几乎有60%的玻璃能达到CR1类。

只有5%的玻璃为CR4类。

表2-2表示耐气候稳定性最灵敏的5个牌号玻璃。

其它牌号玻璃的耐气候稳定性类别请参见样本数据表。

表2-2：耐气候稳定性为CR4类的几个SCHOTT牌号光学玻璃3 耐污染稳定性耐污染试验方法能给出玻璃在没有蒸发的弱酸水（如：汗水、酸性冷凝水等）的作用下，玻璃表面可能出现的变化情况（污斑形成）。

耐污染稳定性讲的不是玻璃耐气候变化稳定性（见耐气候稳定性），也不是耐浓酸溶液稳定性（见耐酸稳定性）。

有些玻璃（比如N-PSK和N-BAF类玻璃）没有污斑形成，因此，耐污染类别为FR0类，尽管它们的耐酸和耐气候稳定性比较差。

在这些情况下，试验中没有污斑形成，但有膜层脱落。

因此，在评价这些光学玻璃的化学稳定性时，综合考虑各种稳定性的试验结果是非常重要的！耐污染稳定性的类别由以下方法来确定：把待测的抛光平板玻璃样品紧贴在一个玻璃试验器皿上，试验皿有一个球形凹坑，凹坑最大深度0.25mm，里面装有几滴试剂。

试剂Ⅰ：醋酸钠缓冲剂pH=4.6试剂Ⅱ：醋酸钠缓冲剂pH=5.6干涉色污斑的产生作为玻璃表面被试剂侵蚀的结果。

区分玻璃耐污染稳定性类别，测量的是出现棕蓝色污斑前所花费的时间，试验温度25℃。

颜色的变化对应于一定的表面层厚度，预先根据标准样品确定。

棕蓝色的颜色变化说明化学变化至多使玻璃表面形成的膜达到 厚的程度。

表3-1列出了耐污染稳定性的类别。

0.1mSCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：5/10表3-1：光学玻璃耐污染稳定性类别FR0类耐污染稳定性包含未出现干涉色的所有玻璃，即使用试剂Ⅰ试验100h后也不出现干涉色。

在不到100h的时间内就出现颜色变化的玻璃属于FR1— FR5类。

FR1类玻璃出现颜色的时间最慢，FR5类玻璃出现颜色的时间最快。

FR5类玻璃不到12min就会出现颜色变化。

这些玻璃在加工过程中必须特别当心。

SCHOTT 50%以上的光学玻璃无污斑形成，因此耐污染稳定性列为FR0类。

不到5%的光学玻璃耐污染稳定性为4类或5类。

表3-2表示污染最灵敏的几个牌号玻璃。

表3-2：耐污染稳定性为FR4类或FR5类的几个SCHOTT牌号光学玻璃SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：6/104 耐酸稳定性（ISO 8424：1996）耐酸稳定性把光学玻璃与大量酸溶液（如：胶水、碳酸水等）接触时表现出的玻璃性能进行分类。

如果酸性水溶液与玻璃表面起反应，污斑就可能形成（见耐污染稳定性），或玻璃被分解，或两种反应同时出现。

耐酸稳定性试验提供有关玻璃溶解真实有用的信息。

试验时，把6面抛光的玻璃样品浸没在大量的酸性溶液中。

我们把溶解0.1m μ层厚所需时间t 作为耐酸稳定性的测量结果。

膜层厚度根据单位面积的重量损失和玻璃密度计算。

测量玻璃的耐酸稳定性使用两种腐蚀性溶液。

强酸溶液（硝酸：0.5mol/l ，pH 0.3）用于稳定性较好的玻璃，稳定性较差的玻璃使用pH 4.6的弱酸溶液（醋酸钠缓冲剂）。

这种方法，使用两种不同的溶液，其主要原因是，有些玻璃不可能含有足够的水溶性物质使玻璃化学稳定性达到较差类别，对光学性能没有不利影响。

而有些玻璃在加工过程中则很容易受到损害，即使使用pH 4.6的弱酸（如：碳酸水、胶水、汗水等）也能引起显著的损害。

类别SR5成了这两类玻璃之间类别划分的过渡点。

在pH 0.3的强酸溶液中溶掉层厚度达到0.1m μ的时间不到0.1h 的玻璃和在pH 4.6弱酸溶液中溶掉层厚度达到0.1m μ的时间大于10h 的玻璃，都属于SR5类。

耐酸稳定性（SR ）类别的总体划分情况列于表4-1中。

耐酸稳定性用2位数字或3位数字表示。

头1位或头2位数字表示耐酸稳定性类别SR ，最后1位数字（用小数点分开）告诉你，在整个试验过程中肉眼看到玻璃表面变化的情况。

最后1位数字的意义在第6章中说明。

表4-1：耐酸稳定性类别（温度：25℃）SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：7/10 SCHOTT 大约45%的玻璃，耐酸稳定性都能达到SR2类或好于SR2类，35%的玻璃能达到SR1类。

不到10%的玻璃为SR53类。

表4-2表示耐酸最灵敏的几个牌号玻璃：表4-2：耐酸稳定性为SR53类的几个SCHOTT牌号玻璃5 耐碱稳定性（ISO 10629：1996）和耐磷酸稳定性（ISO 9689：1990）耐碱稳定性和耐磷酸稳定性，两种试验方法都用于表示玻璃耐过饱和碱性水溶液的稳定性，并使用同一个类别划分表。

耐碱稳定性讲的是，当玻璃与热的碱性液体接触时，玻璃对碱的灵敏性。

值得注意的是，在光学玻璃的冷加工过程中，由于水和磨削玻璃颗粒之间发生化学反应，通常会使磨削液或抛光液的碱性越来越强。

当磨削液和抛光液被反复循环使用时，这是特别有用的。

同时也值得注意的是，温度越高磨削越快。

还有就是，热的碱性溶液被广泛用在抛光表面的清洗工艺中。

耐磷酸稳定性讲的是，用清洗液清洁玻璃时，玻璃对磷酸的反应。

该方法考虑的是，用于清洁光学玻璃的清洗液（洗涤剂）通常是不纯的氢氧化物溶液，它们含有多磷酸。

耐磷酸稳定性类别描述的就是光学玻璃耐受这些洗涤剂的稳定性。

耐碱稳定性和耐磷酸稳定性用小数点分开的两位数字表示。