劉存海, 石 晶, 喻 英

(教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點實驗室， 陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

當(dāng)前，玻璃不僅僅是一種功能性材料，在各種形式的裝飾工程中被大量使用,尤其是蝕刻有各種花紋圖案、書法字體的玻璃深受消費者的歡迎.在玻璃表面處理技術(shù)中，化學(xué)蝕刻方法具有設(shè)備簡單、原料易購、成本低廉、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點，對于小本產(chǎn)業(yè)加工條件更易實現(xiàn)，因此研制一種低成本、高效益、低耗能并且綠色環(huán)保的玻璃蝕刻液極具市場前景.

眾所周知,玻璃易被氫氟酸腐蝕,但氫氟酸很容易揮發(fā),對人危害性很大,且對設(shè)備侵蝕性強,環(huán)境污染嚴重,操作者要戴防護口罩和手套密閉操作.氫氟酸對玻璃的侵蝕機理及影響因素已有較多的研究報道[1，2].在這里我們研究了應(yīng)用氟化銨、硫酸銨、草酸及水的混合溶鹽在不同溫度、 不同時間下對玻璃的腐蝕速率,在此基礎(chǔ)上用掃描電鏡及其附帶的JED- 2200型X射線能譜儀分析了受腐蝕玻璃的表面組成,同時探討了用混合溶鹽代替氫氟酸對鈉鈣硅酸鹽平板玻璃表面進行化學(xué)蒙砂的可能性.

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

氟化銨(AR，上海市奉賢奉承試劑廠)，硫酸銨(AR，天津耀華化學(xué)試劑有限公司)，草酸(AR，天津市紅巖化學(xué)試劑廠)，氫氟酸(AR，天津華達化工有限公司)，BaSO4(AR，天津市天大化學(xué)試劑廠)，甘油(AR，天津市紅巖化學(xué)試劑廠).

FORMAT JEOL 的JSM-6390 型掃描電鏡，JED- 2200型X射線能譜儀.

1.2 實驗材料

采用鈉鈣硅酸鹽平板玻璃作為基片,其成分的質(zhì)量分數(shù)分別為：SiO272.4% , Al2O31.5% , Fe2O30.2% , CaO 7.2% ,MgO 4.2% , R2O (Na2O + K2O) 14.5%.將平板玻璃裁成400 mm×400 mm的基片.

1.3 實驗步驟

將玻璃樣品用丙酮和酒精超聲波清洗5 min，再用鉻酸洗液浸泡一天，以去除其表面的油污，用去離子水沖洗干凈，然后放在130 ℃的烘箱內(nèi)烘干1 h，增強玻璃表面活性.

把氟化銨，硫酸銨、草酸、水按一定的比例配置并分別置于塑料坩堝內(nèi),再放入玻璃基片,加蓋密封后放入水浴鍋,加熱到不同溫度并保持一定時間,然后取出用去離子水清洗、干燥,測定其侵蝕后的失重.

混合腐蝕液的配制用正交試驗法,設(shè)計7 因素(溫度、時間、溶鹽組成) ,選用L8(27) 安排,通過試驗得到最佳配方.

玻璃被侵蝕表征用單位面積、單位時間的質(zhì)量減少量來計腐蝕速率和表面形貌測定結(jié)果.用電子天平稱量侵蝕前后玻璃基片的質(zhì)量.侵蝕后樣品形貌用FORMAT JEOL 的JSM-6390 型掃描電鏡及其附帶的JED- 2200型X射線能譜儀分析其表面組成.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

氟化銨、硫酸銨、草酸和水的用量以及溫度、反應(yīng)時間與腐蝕速率的關(guān)系曲線分別見圖1～6.

圖1 水的用量對腐蝕速率的影響 圖2 時間對腐蝕速率的影響

圖3 蝕刻溫度對腐蝕速率的影響 圖4 草酸用量對腐蝕速率的影響

圖5 硫酸銨用量對腐蝕速率的影響 圖6 氟化銨用量對腐蝕速率的影響

由以上單因素試驗可見,以氟化銨4.00 g左右、硫酸銨2.00 g左右、 草酸7.00 g混合的銨鹽侵蝕效果較為明顯.

本文中樣品的侵蝕溫度為28 ℃， 時間為4 h.圖7為玻璃受氫氟酸侵蝕后的掃描電鏡照片,圖8為玻璃受混合鹽侵蝕后的掃描電鏡照片.

圖7 玻璃受氫氟酸侵蝕后的SEM照片

圖8 玻璃受混合溶鹽侵蝕后的SEM照片

由圖7與圖8對比可以發(fā)現(xiàn)，鈉鈣硅酸鹽玻璃受氫氟酸侵蝕后表面粗糙不平，并且有凹坑，不平整，而受混合溶鹽侵蝕后的表面較平整，侵蝕均勻，效果要比前者好.圖9為玻璃受氫氟酸侵蝕后表面的EDX譜圖 ,圖10為玻璃受混合溶鹽侵蝕后表面的EDX譜圖.從譜圖數(shù)據(jù)可以看出玻璃受混合溶鹽侵蝕后Si/O 原子相對濃度要比受氫氟酸腐蝕的變化大，但較侵蝕前二者的 Si/O比降低,表明玻璃表面富氧,非橋氧和游離氧增加.由圖9和圖10相對應(yīng)的計算機數(shù)據(jù)得出受氫氟酸侵蝕后玻璃表面氧硅摩爾比 O/Si 約為1.85,而受混合溶鹽侵蝕后玻璃中 O/Si 約為2.2,兩種侵蝕方法的侵蝕程度相近，但是從侵蝕效果來看，混合溶鹽效果較好.

3 結(jié)束語

用氟化銨、硫酸銨、草酸和水按一定比例配制的混合溶液,在同一侵蝕條件下進行侵蝕,玻璃基片被侵蝕情況比氫氟酸要嚴重并且均勻.隨著溫度升高,侵蝕加劇,在28 ℃下侵蝕4 h ,可以得到半透明具有蒙砂效果的玻璃.侵蝕過程中混合鹽類與氫氟酸相比無揮發(fā),從而減少了對環(huán)境的污染,符合綠色生產(chǎn)的要求，并且侵蝕速率較快,蝕刻深度較大、均勻性好、安全性高，可達到蒙砂生產(chǎn)的實用要求.

圖9 氫氟酸侵蝕后玻璃表面的EDX譜圖

圖10 混合溶鹽侵蝕后玻璃表面的EDX譜圖

參考文獻

[1] 王 芬，張超武，黃劍鋒.硅酸鹽制品的裝飾及裝飾材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004：352-362.

[2] 王承遇，陶 瑛.中國傳統(tǒng)藝術(shù)玻璃的制造[J].玻璃藝術(shù),2005,(5):36-46.

[3] Shoji S, Kikuchi H, Torigo H. Anodicbonding below 180 ℃ for packaging andassembling of MEMS using lithium aluminosilicate-β-quartz glass-ceramic[A]. Proc MEMS 97[C].Piscataway (USA):IEEE,1997:482-487.