蒙砂玻璃的研制与吸光效应的表征

李运涛，许淑嫱，谌建初，李羽哲，刘存海

(1．陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安　710021；2．金鸿桦烨国际集团，广东深圳　518107)



蒙砂玻璃的研制与吸光效应的表征

李运涛1，许淑嫱1，谌建初2，李羽哲2，刘存海1

(1．陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安710021；2．金鸿桦烨国际集团，广东深圳518107)

对蒙砂玻璃研制的工艺技术做了研究，确立了蒙砂玻璃蚀刻液的组成和配比为NH4F∶(NH4)2SO4∶MgNH4PO4∶H2SO4∶H2O=7.1∶1.2∶0.4∶4.5∶9.9，选择了玻璃蒙砂的优化工艺为：30 ℃水浴下加热,pH=2.0，蒙砂时间5 min.对所研制的蒙砂玻璃进行了SEM和EDS测试，在最大吸收波长为580 nm时，对吸光效应做了表征.结果表明，应用此技术研制的蒙砂玻璃，其吸光效应良好，透光率适宜，蒙砂均匀，表面光洁度高，为蒙砂玻璃的工业化加工提供了环保型可持续化生产途径.

蒙砂玻璃；蚀刻液；透光率

玻璃制造和玻璃加工已成为全球性的主体产业.玻璃产品在建筑、装饰、仪器、航天、航海等精密仪器的制作，以及在电视、电脑、手机等电子行业的超大规模化的应用，形成了该行业的产业化系统[1].由于玻璃产品制作的不完善性，极大程度造成了高强度的光辐射和光污染，特别是在电子玻璃领域中表现的尤为突出，因此消除光辐射带来的光污染已是科学界研究的热点[2].本文通过蒙砂玻璃的制作，对玻璃的透光率作了表征，使蒙砂后的玻璃产品对高强度辐射光的吸收与消除起到了良好的作用，防止了光污染，可有效地保护视力、脑细胞、心血细胞免遭光污染的迫害.因此蒙砂玻璃的环保化技术为人类提供了健康的保证.

1　实验部分

1.1仪器和药品

实验仪器：紫外可见分光光度计； 85-2数控恒温磁力搅拌器；SM-6390型扫描电镜；JED-2200型X射线能谱仪；TD分析天平；101-1干燥箱.

实验药品:氟化铵(A.R.，天津市天力化学试剂有限公司)，硫酸铵(A.R.，天津市天大化学试剂厂)，磷酸铵镁(A.R.，天津市河北区海晶精细化工厂)，浓硫酸(A.R.，国药集团化学试剂有限公司)，去离子水等.

1.2材料来源

实验所用钠钙玻璃由深圳金鸿桦烨电子有限公司提供，厚度为0.15 mm，玻璃基片组成为：SiO2，Al2O3，MgO，Na2O，K2O，CaO,BaO等.将此平板玻璃裁成300 mm×300 mm的实验片.

1.3实验原理

用氟化铵、硫酸铵、磷酸铵镁、硫酸和水的混合溶盐对硅酸盐钠钙玻璃进行蒙砂，其反应机理为：

产生氢氟酸：

2NH4F+H2SO4→(NH4)2SO4+2HF↑，

蒙砂机理：

4HF+SiO2→SiF4+2H2O，

2HF+Na2O→2NaF+H2O,

2HF+CaO→CaF2+H2O.

生成的SiF4是气体，但在未挥发之前就与溶液中的氟化物进行反应，产生氟硅酸盐晶体[3]，如SiF4+2MF→M2SiF6(M代表一价碱金属离子).

生成的这些晶体在玻璃表面均匀地分布，阻止氢氟酸的进一步腐蚀，而晶体间的玻璃则继续被酸腐蚀，由于侵蚀程度不同，玻璃表面生成凹凸不平的晶阵，当晶阵粒子直径与光的波长大小相近时，对光就会起到衍射和散射作用，有效地隔离紫外线的干扰[4]，使玻璃产生一种朦胧感，即为蒙砂玻璃.

混合溶盐法侵蚀玻璃的机理是利用由NH4F、(NH4)2SO4等物质组成的蒙砂粉在去离子水介质中加入少量的H2SO4，在酸性条件下产生微量的HF，与玻璃主要有效成分SiO2,Na2O,CaO反应，生成NaF,CaF2产物部分残留在蒙砂液中，继续添加相同配比的蒙砂粉，熟化12 h后，蒙砂液可循环使用[5].

1.4工艺流程

1.4.1实验路线蒙砂玻璃的路线图为：玻璃进行裁剪→清洗玻璃→干燥→预处理→蒙砂→工件清洗→干燥→仪器测试→成品.

1.4.2实验步骤将玻璃样品进行300 mm×300 mm裁剪，用碱性活性试剂清洗3 min，去除玻璃表面油污，再用去离子水冲洗干净后放入烘箱中烘干，然后将其取出放入35%H2SO4中浸泡5 min，对玻璃表面进行预处理.

将氟化铵、硫酸铵、磷酸铵镁、硫酸、水按一定比例混合，配成蒙砂液，然后用恒温磁力搅拌器将溶液搅拌均匀，在25 ℃熟化6 h后使用.

将蒙砂后的玻璃基片用扫描电镜进行测试分析，以未蒙砂的玻璃作对比，同时进行了JED-2200型X射线能谱仪测试.

1.4.3实验测试手段采用721紫外分光光度计，波长580 nm，以未蒙砂玻璃作对比，测定经蒙砂处理后玻璃的透光率.以相对透光率来表示蒙砂程度，透光率越低，表面蒙砂程度愈高[6].

1.4.4蒙砂液组成和配比用氟化氨、硫酸铵、磷酸铵镁、硫酸和水按一定的配比进行五因素四水平的正交试验，蒙砂液相关物料的配比见表1.

表1　蒙砂液的组成与配比(%)

1.4.5评价指数的确定

对深圳某公司的玻璃工件进行蒙砂，将蒙砂后的玻璃进行SEM外观形貌分析，以玻璃的透光率、玻璃表面的平整度与结晶状态作为基本的评价指数，以EDS谱为表观评价指数对蒙砂产品进行评价.

2　结果与讨论

2.1最佳条件的选择

2.1.1蒙砂液的优化蒙砂液配比的实验结果见表1，从正交试验结果可以得出，8号配方的基本评价指数最优，因而8号配方为蒙砂液的优化配比，即

NH4F∶(NH4)2SO4∶MgNH4PO4∶H2SO4∶H2O=

2.1.2蒙砂液pH对透光率的影响用35% 的硫酸调节溶液的pH，在一定的温度和时间、不同的pH条件下对玻璃进行蒙砂，以蒙砂后玻璃的透光率对pH作图(图1).从图1可以看出，在pH=2时，蒙砂玻璃的透光率最低，化学处理效果最好；在pH>2时，溶液产生的HF浓度过低，玻璃受蒙砂强度不大，透光率变化微弱；在pH<2时，HF浓度太大，有部分酸挥发，对环境造成污染，与玻璃反应速度过快，导致蒙砂玻璃表面均一性差，故选取pH=2优化条件.

图1　蒙砂液pH对透光率的影响

2.1.3蒙砂反应时间对透光率的影响在pH=2，固定温度，在不同时间下对玻璃进行蒙砂，以蒙砂后玻璃的透光率对时间作图(图2).从图2可以看出，随着蒙砂时间的延长，蒙砂玻璃的透光率逐渐降低，2min时，反应不完全，蒙砂处理时间以5min为宜，此时透光率最低.当时间延长到6min时，由于溶解度很低的氟硅酸盐晶体覆盖在玻璃表面，阻止蒙砂液对玻璃的进一步侵蚀，时间虽然增加，但透光率不再降低[7].2.1.4蒙砂液温度对透光率的影响在pH=2，t=5min，不同温度条件下对玻璃进行蒙砂，以玻璃的透光率对温度作图(图3).从图3可以看出，随着温度的升高，透光率逐渐减小，说明较低温度时蒙砂处理效果不好，这是因为化学处理是吸热反应，随着温度升高反应程度增大，当温度为30 ℃时，透光率达到最小，继续升温，透光率反而升高，说明温度过高不利于蒙砂反应的进行.同时，在高温条件下，有部分酸挥发，溶液浓度降低，使反应速度减慢，故蒙砂温度为30 ℃时化学处理效果最佳.

图2　蒙砂时间对透光率的影响

图3　蒙砂温度对透光率的影响

2.2蒙砂玻璃基体表面的分析

在pH=2.0，温度为30 ℃，蒙砂时间为5min条件下，以最优蒙砂配比对玻璃工件进行蒙砂处理，通过对蒙砂前后的玻璃表面进行表征、分析和评估，以此来说明玻璃蒙砂技术的性能.

2.2.1SEM分析图4和图5为空白玻璃和蒙砂5min样品的SEM形貌.可以看出，蒙砂处理5min的样品表面堆积大量氟硅酸盐晶体，晶粒尺寸较小，凹坑和裂纹不明显，玻璃表面平整，蒙砂后的样品基体表面均一性基本较高[8].

图4　未蒙砂样品基片的SEM形貌

图5　蒙砂样品基片的SEM形貌

2.2.2EDS分析分别对蒙砂前后的玻璃基片进行X射线能谱分析，结果见图6和图7，可以看出，蒙砂前后样品的谱图非常相似，基体Si的量稍有波动，O/Si比例近似为1/2，结构基本无任何改变，说明玻璃的蒙砂效果较优[9]，无新元素生成，上述结果为蒙砂玻璃制品的生产提供了理论依据.

图6　未蒙砂样品基片EDS谱

图7　蒙砂后样品基片EDS谱

3　结论

利用正交试验确定了蒙砂液的最佳配比为氟化铵7.1%、硫酸铵1.2%、磷酸铵镁0.4%、工业硫酸4.5%、水9.9%.按最佳优化配比制成的蒙砂液对玻璃进行腐蚀，结果表明，最佳的蒙砂工艺条件为pH=2.0、温度30 ℃、蒙砂时间5min.对蒙砂玻璃进行吸光效应表征，获得最佳透光率为85%;SEM显示蒙砂表面平整度高，结晶完整;EDS测试表明，蒙砂前后玻璃基面的光洁度及多元素含量不变，达到预期要求.该蒙砂产品适合作电视机的外屏玻璃和高档相框玻璃，特别是作为电视机的外屏玻璃，可消除普通玻璃屏的光污染，具有科学的环保理念.

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[7]南雪景，王承遇，史非．熔融磷酸盐对石英玻璃的侵蚀机理及影响因素[J].材料导报，2000， 14(12):62.

[8]齐智群，刘海鹏，王承遇.影响玻璃蒙砂的因素[J].大连轻工业学院学报，1998，17(3):1.

[9]彭雄义．聚羧酸系减水剂的分子结构与应用性能关系及作用机理研究[D].广州：华南理工大学，2011.

(责任编辑陆泉芳)

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

陕西省科技厅工业攻关科技计划资助项目(2012K08-22)

李运涛(1965—)，男，陕西西安人，教授，硕士研究生导师.主要研究方向为轻化工助剂制备.

E-mail:liyt@sust.edu.cn

TQ 171.687

A

1001-988Ⅹ(2016)04-0068-04