Что такое поверхность стекла?

Оглавление

• Особенности силикатного стекла
• Адсорбция воды
• Процесс порчи стекла

На первый взгляд, поверхность стекла - это резкий переход между твердым стеклом (свойства которого определяются химическим составом) и окружающей средой, например, воздухом. Но более детальное изучение поверхности стекла дает развернутое представление - резкая граница исчезает, и появляются различные зоны перехода между стеклом и окружающей средой.

Особенности силикатного стекла

Несмотря на всевозможное разнообразие составов стекла, наиболее распространено силикатное стекло; подобный состав используется для тарного и флоат (оконного) стекла. Силикатное стекло в основном состоит из молекулярной сетки диоксида кремния. В этой сетке чередуются такие элементы, как кремний и кислород. В то время, как кислород формирует две химические связи с двумя другими молекулами кремния, каждая молекула кремния имеет четыре химические связи с окружающими ее атомами кислорода. Полученная в результате структура представляет собой сложную разветвленную макромолекулу с ответвлениями, соединенными друг с другом в виде кольцеобразных структур. Рис. 1 показывает упрощенную (двухмерную) модель этой сетки; на самом деле разветвления располагаются в трех плоскостях, и по структуре напоминают жесткую губку. В ячейках этой губки заключены ионы кальция и натрия. Положительный электрический заряд ионов металла компенсируется отрицательно заряженными ионами кислорода, которые формируют конец ответвления в диоксиде кремния.

Адсорбция воды

Если посмотреть на ту часть внутренней структуры стекла, которая близка к поверхности, возможно, мы увидим некоторое количество воды в стеклянной матрице. Это происходит потому, что, как и любой другой неорганический материал, стекло вбирает воду из атмосферы. Адсорбция воды (вместо других компонентов атмосферы) происходит, в основном, из-за ее электрической полярности. (Рис.2). При нормальных условиях (комнатной температуре и обычной влажности воздуха) на поверхности присутствует водная пленка, состоящая из нескольких молекулярных слоев. Ее толщина зависит от температуры и влажности. Чтобы удалить воду, стекло необходимо нагреть более чем 200°C. Адсорбция воды - это процесс, который происходит очень быстро. Спустя несколько часов после изготовления стекла (или после остывания) водная пленка снова находится в стабильном состоянии, поэтому мы можем полагать, что при нормальных условиях, на любой поверхности стекла существует водная пленка.

Вначале вода адсорбируется на поверхность, и далее она способна распространиться с поверхности в саму структуру стекла. Оказавшись в стеклянной сетке, вода начнет реагировать с ионами натрия, формируя гидроксид натрия. Получающиеся в результате щелочной реакции продукты способны разорвать химические связи между кремнием и кислородом, что приведет к разрушению стеклянной сетки. В конечном счете, разрушенные компоненты стекла могут с легкостью быть смыты водой с поверхности. Этот процесс известен как коррозия стекла.

Процесс растворения стекла водой противоречит нашему здравому смыслу. Обычно мы воспринимаем стекло как химически стойкий и не растворимый в воде материал. Но коррозия стекла водой - это постепенный процесс, который может занять долгое время, чтобы результат стал заметен. Поверхность стекла может быть частично разрушена, хотя визуально кажется, что она абсолютно чиста и прозрачна.

Процесс порчи стекла

Скорость коррозии зависит от химического состава стекла. Существуют коррозиеустойчивые виды стекла, например, для использования в фармацевтике. На процесс коррозии также влияют окружающие условия – высокая температура и влажность ускорят процесс разрушения. Один из основных факторов, который влияет на уровень коррозии, - это промежуток времени с момента изготовления стеклянного изделия до печати.

На поверхности стекла происходят не только процессы разрушения. Мы узнали, что вода из атмосферы адсорбируется на поверхности стекла, тем самым формируя водяную пленку, которая обычно имеет несколько слоев молекул воды. В атмосфере существуют и другие компоненты, которые имеют склонность оседать на поверхности водяной пленки. Обычно это более крупные органические молекулы или частицы, которые в небольшом количестве встречаются в воздухе. Эти органические адсорбаты влияют на смачивающее свойство поверхности стекла. Капля воды, нанесенная на водяную пленку поверхности стекла, растечется по ней. Капля воды, содержащая органические адсорбаты, не растечется, а сохранит компактную форму.

Рисунок 3 показывает стандартную поверхность стекла перед нанесением на нее печати. В то время, как внутренняя часть стекла осталась неизменной, диффузионная зона рядом с поверхностью уже разрушена воздействием воды и, возможно, неустойчива к воде. Существование водяной пленки неизбежно, потому что она всегда присутствует при нормальных условиях. Органические адсорбаты, пыль, и любая другая грязь на поверхности водяной пленки влияет на смачивающее свойство и адгезионную способность печатной краски.

Предлагаем Вам также ознакомиться с обзором UV-принтеров представленных на нашем сайте.