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玻璃上擦不掉的脏东西究竟是什么?

科普中国-科普融?#27927;?#20316;与传播 2019-05-29

  出品:科普中国

  制作:黄松鹏 顾松华 王振尧(中科院金属所材料环境腐蚀中心)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  说到玻璃,大家可能都不陌生,不管是自家窗户还是对面大楼的窗户,基本上都是用玻璃做的,这不仅仅是因为其优异的光学性能(透光),还因为它有极好的物理防护性能(挡风、防雨)。在造价和取材方面也很亲民,随处都可以找到它的身影。

  玻璃的前世今生

  玻璃一般是指透明、脆性、不透气并具有一定硬度的物料。

  世界上最早的玻璃是古埃及人制造的[1]。玻璃的出现与使用已有四千多年历史。而在中国,人们在西周时期的古墓中曾发现玻璃管、玻璃珠等物品,这说明古人在西周时已经开始制造并使用玻璃。南北朝以前的人们,将用火烧成的透明物通称为“琉璃?#20445;?#23435;朝时则开始称之为“玻璃?#20445;?#21040;明清时期,习惯将低温烧成的、半透明的、有玻璃光泽的物质称为“琉璃”。

  

  图1 色?#21490;?#22810;的玻璃珠

  (图源:参考?#21335;?)

  中国古典作品中亦有提及“玻璃”一词。比如南?#38382;?#20154;杨万里(1127年-1206年)的《稚?#20248;?#20912;》一诗中:

  稚子金盆脱晓冰,彩丝穿取当银铮。

  敲成玉磬穿林响,忽作玻璃碎地声。

  其实,按照现在的标准来说,很多当时所说的“琉璃”并不指现代所说的“玻璃”[2]。

  如今,玻璃已经成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。玻璃能反射、折射光线,因此可以制作透镜、三棱镜或高速传输用的光纤;玻璃中若加入金属盐类,其颜色会改变,因此可以用玻璃制作色彩斑斓的艺术品,比如著名的花窗玻璃。

  最常见的玻璃是钠钙玻璃,主要成分是二氧化硅(SiO2)、氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)以及其他添加物。玻璃在日常环境中呈现化学惰性,一般不溶于酸(例外:氢氟酸(HF)与玻璃反应生成SiF4,会导致玻璃的腐蚀);但溶于?#32771;睿?#20363;如氢氧化钠 (NaOH)[2]。

  常见的玻璃腐蚀现象

  在大家的认知中,可能觉得生活中的玻璃是一种很稳定的物质,不容易发生腐蚀。如果仔细观察卧室的镜子或者是窗户上的玻璃,就会发现,随着使用时间延长,玻璃表面会出现白雾、白点,即便喷水擦拭后也无法除去,这些白雾、白点并不是?#39029;荊?#32780;是玻璃发生腐蚀后的产物,也有人用“玻璃风化”、“玻璃发霉”来形容这种腐蚀现象。

  

  图2 玻璃在大气中的腐蚀(a)公交车玻璃上的白雾、白点 (b)彩虹斑

  (图源:参考?#21335;?)

  在?#21512;?#20043;交,气温和湿度逐渐升高,会使玻璃腐蚀的几?#34432;?#22823;增加。对于单纯承受大气物?#26159;?#34432;的建筑物窗户玻璃来说,其腐蚀可以分为四个阶段[5]:

  (1)空气中的水、二氧化碳和?#39029;?#31561;物质会吸附在玻璃表面形成沉积物,但这种表面沉积物很容易用水清洗。

  (2)如果玻璃一直处于较高湿度的条件下(60%以上),表面的沉积物会变厚(约1μm),水或者潮气会向玻璃内扩散,玻璃组分水解后会使表面变色,仍然可以用水清洗干净。

  (3)玻璃表面形成沉积膜后,如果继续处于较高湿度的大气环境下,某些成分(碱金属?#22270;?#22303;金属)会在玻璃表面大量富集和浸析,表面的可溶性硅酸盐?#40644;?#22351;,此时,局部位置会存在硅含量较高的物质,看起来像是水渍残留,腐蚀轻微的部分用食醋就可以清洗,腐蚀?#29616;?#30340;甚至得用前面提到的氢氟酸才能?#34892;?#30340;清洗。

  (4)最后阶段,玻璃表面将变得十分粗糙,局部会发生?#29616;?#30340;腐蚀。这是因为玻璃中的钠离子从基体中迁出,与空气反应生成白色的碱性物质,这便是玻璃上的白雾、白点,即使用氢氟酸也无法达到?#34892;?#28165;洗。

  

  图3 玻璃在大气中的腐蚀过程

  (图源:作者自制)

  可能大家对玻璃表面粗糙不太理解,举个生活中例子:镜子用得越久,会感觉它越来越模糊,这就是由于表面受到了腐蚀,变得较为粗糙,入射的光线部分发生了漫反射。从玻璃腐蚀的第一阶段来考虑,每周用水轻轻擦拭,保持镜子清晰干净,其使用寿命可以延长。

  除了白雾、白点,玻璃腐蚀还会出现彩虹斑,它的成因比?#32454;?#26434;,具体可以分为两种:(1)生产过程中产生的,也被称为应力斑。由于玻璃内部应力分布不均匀而使得入射光产生干涉的现象,目前尚无方法避免。(2)使用过程中产生的,受到空气中的水汽或者其他化学产品的侵蚀[6]。

  玻璃腐蚀,有弊也有利

  虽然玻璃腐蚀会给我们生活带来困扰,但在玻璃加工过程中,这是一种有用的加工手段。有人可能好奇玻璃上的文字或者花纹是怎么添加上去的?

  方法除了直接进行雕刻,还可以利用蚀?#30899;?HF,氢氟酸)来对玻璃进行刻蚀。将玻璃涂上用汽油溶解的石蜡液作为保护层,在固化的石蜡层上雕刻出所需要的文字或者图案,刻痕深度要能使玻璃露出;然后,将HF酸滴于文字或者图案上,控制腐蚀的时间、调整所需花纹的深?#24120;?#20043;后用温水洗去石蜡和氢氟酸,即可制得有花纹的玻璃[7]。(不建议自己操作,氢氟酸具有强烈腐蚀性)

  

  图4 利用HF刻蚀玻璃

  (图源:参考?#21335;?)

  化学反应方程式为:

  

  其实,玻璃的腐蚀速度并不取决于材料的固有特性,它取决于玻璃的成分、结构、表面状态以及环境条件。通过上述讲解,我们可以发现玻璃腐蚀无处不在。虽然有时候会给我们的生活带来一些麻?#24120;?#20294;转换一下思路,它也可以成为加工材料的一?#36136;?#27573;。腐蚀对于玻璃有利也有弊,如何兴利?#30452;自?#38656;要我们共同努力。

  参考资料:

  1.  世界是?#38382;?#20250;制玻璃的?[EB/OL]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%83, 2019-03-22

  3. 玻璃[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/%E7%8E%BB%E7%92%83/287?fr=aladdin, 2018-09-17

  4.  图片:玻璃出现发霉问题,应该怎么办?https://www.sohu.com/a/225460590_100076051, 2018-03-13

  5. Uhlig, H. H., 尤利格腐蚀手册[M]. 化学工业出版社: ?#26412;? 2005:305-306

  6.   玻璃出现彩虹斑的原因和解决方法[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/%E8%9A%80%E5%88%BB%E7%8E%BB%E7%92%83.2018-04-18 

  8.   图片:氢氟酸刻蚀玻璃,

责任编辑?#21644;?#36229;

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