材料表界面知识点总结

第九章玻璃表界面

4 玻璃的表面反应

玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。

4.1 水对玻璃的侵蚀

开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：

离子交换反应停止的真正原因：

•Na+含量的降低；

R n+（n>1)抑制效应

4.2酸对玻璃的侵蚀

除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。

浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。

酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。

高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。

4.3 碱对玻璃的侵蚀

硅酸盐玻璃一般不耐碱。

碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。

碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。

碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：

侵蚀时间

OH-离子的浓度

阳离子的种类

侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度

玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：

⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；

⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。

⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成

硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。

碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同

⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）

玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。

⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起

溶蚀作用。

大气对玻璃的侵蚀

先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。

4.4 影响玻璃表面反应性的因素

1) 化学组成的影响

硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。

玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。

2) 热处理的影响

一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。

明焰退火，玻璃化学稳定性增加；

暗焰退火，玻璃化学稳定性降低。

3) 表面状态的影响

介质对玻璃的侵蚀首先从表面开始，表面状态对玻璃化学稳定性具有重要的意义。可以通过表面处理改变玻璃的表面状态。

◆从玻璃表面层移去对侵蚀介质具有亲和力的成分；

◆玻璃表面进行涂层。

4）温度和压力

5.玻璃表面张力

表面张力的工艺意义：

◆澄清：表面张力在一定程度上决定了气泡的长大和排除速度。

◆均化：玻璃液中条纹及节瘤扩散和溶解的速度决定于主体玻璃和条纹玻璃表

面张力的相对大小。

◆成形：人工挑料，吹小泡，滴料供料；玻璃管或玻璃棒的拉制；平板玻璃的

成形。

1) 表面张力与组成的关系

熔体内部质点之间的相互作用力愈大，则表面张力也愈大。

一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。但随阳离子半径的增加，其顺序为：σLi2O·SiO2＞σNa2O·SiO2＞σK2O·SiO2＞σCs2O·SiO2

各种氧化物对表面张力的影响可分为三类：

◆第Ⅰ类氧化物：没有表面活性，增加表面张力，称为表面惰性物质。如SiO2、

Al2O3、CaO 、MgO、Na2O 、Li2O 等。

◆第Ⅱ类氧化物：引入量较大时能显著降低熔体表面张力。如K2O、PbO、B2O3、

Sb2O3、P2O5等。

◆第Ⅲ类氧化物：引入量较少也可显著降低熔体表面张力，称为表面活性物质。

如V2O5、Cr2O3、MoO3、WO3等。

2)表面张力与温度的关系

一般规律：温度升高，质点热运动增加，体积膨胀，相互作用力松弛，表面张力降低，表面张力与温度几乎呈直线关系。

7 玻璃表面处理

玻璃表面处理技术按作用原理可分为：

①微观微粒沉积。沉积物以原子、离子和粒子团簇形态在玻璃表面形成薄膜。如物理气相

沉积、化学气相沉积镀膜。

②介观或微观粒子沉积。沉积物以介观(mm级)或微观(um级)尺寸的颗粒形态在玻璃表面形成覆盖层，热喷涂、描金。

②整体覆盖。将覆盖材料在同一时间施加在玻璃表面上，如贴铁甲防爆膜、夹金膜。

③表面改性。如离子交换、离子注入、化学处理。

1 防雾自清洁玻璃

原因：在冬季和湿气比较重的地方，容易凝聚在建筑物的玻璃窗、

汽车档风玻璃、后视镜和眼镜上，形成雾气。

吸附灰尘和油污，造成玻璃透过率降低。

后果：影响视觉和生命安全。

a)在玻璃表面喷上一层表面活性剂，以除去沉积在其上的水滴和尘埃；

b)在玻璃表面涂覆上一层有机吸水防雾薄膜；

c)安装加热装置，通过加热蒸发玻璃表面的水滴；

d)安装超声波和加热装置，对玻璃表面同时进行分散和加热，达到快速蒸发的目的。

SiO

膜

机理：SiO2表面容易产生OH基团，因而具有良好的亲水性。此外，SiO2薄膜具有多孔表面，能改善其亲水性。当玻璃表面吸附水时，水被SiO2层中的微孔均匀吸收，然后蒸发，没有留下任何斑点。

超亲水自清洁玻璃在玻璃表面制备出超亲水性光催化TiO2薄膜。该光催化

薄膜具有两大特性。

(1)超亲水性能：使玻璃表面对水具有超亲和作用，使水的液滴在玻璃表面上的接触角

趋近于零。因此，当水接触到玻璃表面时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污渍，通过该方式将可以去除大部分有机或无机污渍。

(2)光催化分解有机物能力：通过光催化反应，该TiO2薄膜将有能力分解各类有机物，

通过该特性可以有效去除残余的顽固有机污渍并有杀灭粘附于表面的细菌效果。目