蒙砂玻璃的研制與吸光效應的表征

李運濤，許淑嬙，諶建初，李羽哲，劉存海

(1．陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安　710021；2．金鴻樺燁國際集團，廣東深圳　518107)

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蒙砂玻璃的研制與吸光效應的表征

李運濤1，許淑嬙1，諶建初2，李羽哲2，劉存海1

(1．陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安710021；2．金鴻樺燁國際集團，廣東深圳518107)

對蒙砂玻璃研制的工藝技術做了研究，確立了蒙砂玻璃蝕刻液的組成和配比為NH4F∶(NH4)2SO4∶MgNH4PO4∶H2SO4∶H2O=7.1∶1.2∶0.4∶4.5∶9.9，選擇了玻璃蒙砂的優(yōu)化工藝為：30 ℃水浴下加熱,pH=2.0，蒙砂時間5 min.對所研制的蒙砂玻璃進行了SEM和EDS測試，在最大吸收波長為580 nm時，對吸光效應做了表征.結果表明，應用此技術研制的蒙砂玻璃，其吸光效應良好，透光率適宜，蒙砂均勻，表面光潔度高，為蒙砂玻璃的工業(yè)化加工提供了環(huán)保型可持續(xù)化生產(chǎn)途徑.

蒙砂玻璃；蝕刻液；透光率

玻璃制造和玻璃加工已成為全球性的主體產(chǎn)業(yè).玻璃產(chǎn)品在建筑、裝飾、儀器、航天、航海等精密儀器的制作，以及在電視、電腦、手機等電子行業(yè)的超大規(guī)?；膽?，形成了該行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng)[1].由于玻璃產(chǎn)品制作的不完善性，極大程度造成了高強度的光輻射和光污染，特別是在電子玻璃領域中表現(xiàn)的尤為突出，因此消除光輻射帶來的光污染已是科學界研究的熱點[2].本文通過蒙砂玻璃的制作，對玻璃的透光率作了表征，使蒙砂后的玻璃產(chǎn)品對高強度輻射光的吸收與消除起到了良好的作用，防止了光污染，可有效地保護視力、腦細胞、心血細胞免遭光污染的迫害.因此蒙砂玻璃的環(huán)?；夹g為人類提供了健康的保證.

1　實驗部分

1.1儀器和藥品

實驗儀器：紫外可見分光光度計； 85-2數(shù)控恒溫磁力攪拌器；SM-6390型掃描電鏡；JED-2200型X射線能譜儀；TD分析天平；101-1干燥箱.

實驗藥品:氟化銨(A.R.，天津市天力化學試劑有限公司)，硫酸銨(A.R.，天津市天大化學試劑廠)，磷酸銨鎂(A.R.，天津市河北區(qū)海晶精細化工廠)，濃硫酸(A.R.，國藥集團化學試劑有限公司)，去離子水等.

1.2材料來源

實驗所用鈉鈣玻璃由深圳金鴻樺燁電子有限公司提供，厚度為0.15 mm，玻璃基片組成為：SiO2，Al2O3，MgO，Na2O，K2O，CaO,BaO等.將此平板玻璃裁成300 mm×300 mm的實驗片.

1.3實驗原理

用氟化銨、硫酸銨、磷酸銨鎂、硫酸和水的混合溶鹽對硅酸鹽鈉鈣玻璃進行蒙砂，其反應機理為：

產(chǎn)生氫氟酸：

2NH4F+H2SO4→(NH4)2SO4+2HF↑，

蒙砂機理：

4HF+SiO2→SiF4+2H2O，

2HF+Na2O→2NaF+H2O,

2HF+CaO→CaF2+H2O.

生成的SiF4是氣體，但在未揮發(fā)之前就與溶液中的氟化物進行反應，產(chǎn)生氟硅酸鹽晶體[3]，如SiF4+2MF→M2SiF6(M代表一價堿金屬離子).

生成的這些晶體在玻璃表面均勻地分布，阻止氫氟酸的進一步腐蝕，而晶體間的玻璃則繼續(xù)被酸腐蝕，由于侵蝕程度不同，玻璃表面生成凹凸不平的晶陣，當晶陣粒子直徑與光的波長大小相近時，對光就會起到衍射和散射作用，有效地隔離紫外線的干擾[4]，使玻璃產(chǎn)生一種朦朧感，即為蒙砂玻璃.

混合溶鹽法侵蝕玻璃的機理是利用由NH4F、(NH4)2SO4等物質組成的蒙砂粉在去離子水介質中加入少量的H2SO4，在酸性條件下產(chǎn)生微量的HF，與玻璃主要有效成分SiO2,Na2O,CaO反應，生成NaF,CaF2產(chǎn)物部分殘留在蒙砂液中，繼續(xù)添加相同配比的蒙砂粉，熟化12 h后，蒙砂液可循環(huán)使用[5].

1.4工藝流程

1.4.1實驗路線蒙砂玻璃的路線圖為：玻璃進行裁剪→清洗玻璃→干燥→預處理→蒙砂→工件清洗→干燥→儀器測試→成品.

1.4.2實驗步驟將玻璃樣品進行300 mm×300 mm裁剪，用堿性活性試劑清洗3 min，去除玻璃表面油污，再用去離子水沖洗干凈后放入烘箱中烘干，然后將其取出放入35%H2SO4中浸泡5 min，對玻璃表面進行預處理.

將氟化銨、硫酸銨、磷酸銨鎂、硫酸、水按一定比例混合，配成蒙砂液，然后用恒溫磁力攪拌器將溶液攪拌均勻，在25 ℃熟化6 h后使用.

將蒙砂后的玻璃基片用掃描電鏡進行測試分析，以未蒙砂的玻璃作對比，同時進行了JED-2200型X射線能譜儀測試.

1.4.3實驗測試手段采用721紫外分光光度計，波長580 nm，以未蒙砂玻璃作對比，測定經(jīng)蒙砂處理后玻璃的透光率.以相對透光率來表示蒙砂程度，透光率越低，表面蒙砂程度愈高[6].

1.4.4蒙砂液組成和配比用氟化氨、硫酸銨、磷酸銨鎂、硫酸和水按一定的配比進行五因素四水平的正交試驗，蒙砂液相關物料的配比見表1.

表1　蒙砂液的組成與配比(%)

1.4.5評價指數(shù)的確定

對深圳某公司的玻璃工件進行蒙砂，將蒙砂后的玻璃進行SEM外觀形貌分析，以玻璃的透光率、玻璃表面的平整度與結晶狀態(tài)作為基本的評價指數(shù)，以EDS譜為表觀評價指數(shù)對蒙砂產(chǎn)品進行評價.

2　結果與討論

2.1最佳條件的選擇

2.1.1蒙砂液的優(yōu)化蒙砂液配比的實驗結果見表1，從正交試驗結果可以得出，8號配方的基本評價指數(shù)最優(yōu)，因而8號配方為蒙砂液的優(yōu)化配比，即

NH4F∶(NH4)2SO4∶MgNH4PO4∶H2SO4∶H2O=

2.1.2蒙砂液pH對透光率的影響用35% 的硫酸調(diào)節(jié)溶液的pH，在一定的溫度和時間、不同的pH條件下對玻璃進行蒙砂，以蒙砂后玻璃的透光率對pH作圖(圖1).從圖1可以看出，在pH=2時，蒙砂玻璃的透光率最低，化學處理效果最好；在pH>2時，溶液產(chǎn)生的HF濃度過低，玻璃受蒙砂強度不大，透光率變化微弱；在pH<2時，HF濃度太大，有部分酸揮發(fā)，對環(huán)境造成污染，與玻璃反應速度過快，導致蒙砂玻璃表面均一性差，故選取pH=2優(yōu)化條件.

圖1　蒙砂液pH對透光率的影響

2.1.3蒙砂反應時間對透光率的影響在pH=2，固定溫度，在不同時間下對玻璃進行蒙砂，以蒙砂后玻璃的透光率對時間作圖(圖2).從圖2可以看出，隨著蒙砂時間的延長，蒙砂玻璃的透光率逐漸降低，2min時，反應不完全，蒙砂處理時間以5min為宜，此時透光率最低.當時間延長到6min時，由于溶解度很低的氟硅酸鹽晶體覆蓋在玻璃表面，阻止蒙砂液對玻璃的進一步侵蝕，時間雖然增加，但透光率不再降低[7].2.1.4蒙砂液溫度對透光率的影響在pH=2，t=5min，不同溫度條件下對玻璃進行蒙砂，以玻璃的透光率對溫度作圖(圖3).從圖3可以看出，隨著溫度的升高，透光率逐漸減小，說明較低溫度時蒙砂處理效果不好，這是因為化學處理是吸熱反應，隨著溫度升高反應程度增大，當溫度為30 ℃時，透光率達到最小，繼續(xù)升溫，透光率反而升高，說明溫度過高不利于蒙砂反應的進行.同時，在高溫條件下，有部分酸揮發(fā)，溶液濃度降低，使反應速度減慢，故蒙砂溫度為30 ℃時化學處理效果最佳.

圖2　蒙砂時間對透光率的影響

圖3　蒙砂溫度對透光率的影響

2.2蒙砂玻璃基體表面的分析

在pH=2.0，溫度為30 ℃，蒙砂時間為5min條件下，以最優(yōu)蒙砂配比對玻璃工件進行蒙砂處理，通過對蒙砂前后的玻璃表面進行表征、分析和評估，以此來說明玻璃蒙砂技術的性能.

2.2.1SEM分析圖4和圖5為空白玻璃和蒙砂5min樣品的SEM形貌.可以看出，蒙砂處理5min的樣品表面堆積大量氟硅酸鹽晶體，晶粒尺寸較小，凹坑和裂紋不明顯，玻璃表面平整，蒙砂后的樣品基體表面均一性基本較高[8].

圖4　未蒙砂樣品基片的SEM形貌

圖5　蒙砂樣品基片的SEM形貌

2.2.2EDS分析分別對蒙砂前后的玻璃基片進行X射線能譜分析，結果見圖6和圖7，可以看出，蒙砂前后樣品的譜圖非常相似，基體Si的量稍有波動，O/Si比例近似為1/2，結構基本無任何改變，說明玻璃的蒙砂效果較優(yōu)[9]，無新元素生成，上述結果為蒙砂玻璃制品的生產(chǎn)提供了理論依據(jù).

圖6　未蒙砂樣品基片EDS譜

圖7　蒙砂后樣品基片EDS譜

3　結論

利用正交試驗確定了蒙砂液的最佳配比為氟化銨7.1%、硫酸銨1.2%、磷酸銨鎂0.4%、工業(yè)硫酸4.5%、水9.9%.按最佳優(yōu)化配比制成的蒙砂液對玻璃進行腐蝕，結果表明，最佳的蒙砂工藝條件為pH=2.0、溫度30 ℃、蒙砂時間5min.對蒙砂玻璃進行吸光效應表征，獲得最佳透光率為85%;SEM顯示蒙砂表面平整度高，結晶完整;EDS測試表明，蒙砂前后玻璃基面的光潔度及多元素含量不變，達到預期要求.該蒙砂產(chǎn)品適合作電視機的外屏玻璃和高檔相框玻璃，特別是作為電視機的外屏玻璃，可消除普通玻璃屏的光污染，具有科學的環(huán)保理念.

[1]康萬利，劉桂范，李金環(huán).油水乳化液流變性研究進展[J].日用化學工業(yè)，2004,34(1)：34.

[2]楊飛，李傳憲，林名楨．乳化條件對O/W稠油乳液流變性的影響[J].石油化工高等學校學報，2009，22(3)：52.

[3]FERANDEZ-ALTABLEV,CASANOVAI.Influenceofmixingsequenceandsuperplasticiserdosageontherheologicalresponseofcementpastesatdifferenttemperatures[J].Cement and Concrete Research，2009，36(7):1222.

[4]迪安JA.蘭氏化學手冊[M].尚久方，操時杰，辛無名，等，譯.北京：科學出版社，1991.

[5]胡一宸,王中儉.玻璃毛面酸蝕機理研究[J].玻璃與搪瓷,1990,18(4):37.

[6]VARSHNEYAAK.Fundamentals of Inorganic Glasses[M].Sheffield：SocGlassTech，2006.

[7]南雪景，王承遇，史非．熔融磷酸鹽對石英玻璃的侵蝕機理及影響因素[J].材料導報，2000， 14(12):62.

[8]齊智群，劉海鵬，王承遇.影響玻璃蒙砂的因素[J].大連輕工業(yè)學院學報，1998，17(3):1.

[9]彭雄義．聚羧酸系減水劑的分子結構與應用性能關系及作用機理研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

(責任編輯陸泉芳)

Development and absorption effect of agent glass

LI Yun-tao1,XU Shu-qiang1,CHEN Jian-chu2,LI Yu-zhe2,LIU Cun-hai1

(1.College of Chemical Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,Shaanxi,China;2.Golden Birch International Group Inc.,Shenzhen 518107,Guangdong,China)

The composition and ratio of etching solution of agent glass are established through studying on the process technology of agent glass.The optimal performences are NH4F∶(NH4)2SO4∶MgNH4PO4∶H2SO4∶H2O=7.1∶1.2∶0.4∶4.5∶9.9 under temperature 30 ℃ water bath,pH=2.0 and 5 min.The structure of agent glass is characterized by SEM and EDS.The absorption effect of the agent glass is tested at 580 nm.The results show that the absorption effect is good,light transmittance is appropriate and frosting evenly,and high surfaceis are finished by application of this technology for developing the agent glass.It provides environment friendly sustainable production way for the industrialization of agent glass.

agent glass；etching solution；transmittance

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.04.015

2016-01-20;修改稿收到日期:2016-04-14

陜西省科技廳工業(yè)攻關科技計劃資助項目(2012K08-22)

李運濤(1965—)，男，陜西西安人，教授，碩士研究生導師.主要研究方向為輕化工助劑制備.

E-mail:liyt@sust.edu.cn

TQ 171.687

A

1001-988Ⅹ(2016)04-0068-04