Untersuchung von Glasdegradationsprozessen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie

Reiß, Stephanie GND

Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals mit Hilfe von XPS und AFM systematisch das Alterungsverhalten von Floatgläsern unter Berücksichtigung von drei kommerziell relevanten Aspekten untersucht: Vorspannprozesse, Korrosion bei Belegung mit Partikeln und Glasschutzmittel. Es konnten zwei spezifische Carbonatphasen nachgewiesen werden, die unter dem Einfluss von warmer, feuchter Umgebungsluft auf Floatglasoberflächen entstehen: Dendritisches Trona und Natriumhydrogencarbonat. Des Weiteren wurde im oberflächennahen Bereich Mg-Diffusion nachgewiesen. Ermöglicht wird sie durch die Akkumulation von Na und Ca und den damit verbundenen Änderungen der Glasstruktur und -zusammensetzung an der Oberfläche. Thermisches Vorspannen hat keinen signifikanten Einfluss auf diese Prozesse. Chemisches Vorspannen führt jedoch zu signifikanten Veränderungen: Es kommt zu einer erheblich inhomogeneren lateralen Ausbildung von Kristalliten, während chemische Veränderungen in der Glaszusammensetzung nur halb so tief in das Glas hineinreichen. Ursache ist das beim chemischen Vorspannen eingebaute K, welches die Zwischenräume des Glasnetzwerks verengt, so dass ein Eindringen von Wasserspezies erschwert wird. Untersucht wurde auch der Einfluss von Sandpartikeln der Sahara auf Glaskorrosion. Der anhaftende Sand verstärkt die Auslaugung der Netzwerkwandler drastisch und beeinflusst Kristallisationsprozesse sowie die Chemie der Glasoberfläche. Während er die Bildung von Carbonatphasen drastisch unterdrückt, führt er zur Entstehung von Ca-Anorthit und Na-Phillipsit. Diese können im weiteren Bewitterungsverlauf das Glas besonders stark schädigen, da sie unter dem Einfluss von Luftfeuchtigkeit eine hochbasische Umgebung bilden, die zur Auflösung des Glasnetzwerks führt. Erstmals wurde der Einfluss eines kommerziell erhältlichen Glasprotektors auf Flachglas untersucht, um seinen möglichen Nutzen für die Floatglasreinigung abzuschätzen und seine Wirkungsweise zu verstehen. Das saure Milieu des Protektors führt zu einer verstärkten Auslaugung von Na, was die Eindiffusion von im Protektor enthaltenem Zn in das Glas ermöglicht, welches das Netzwerk durch Stärkung geschwächter Glasverbindungen stabilisiert. Das dem Protektor beigemischte Bi diffundiert nicht in das Glas ein, sondern lagert sich an dessen Oberfläche ab und schützt diese dort. Unter Langzeiteinwirkung bildet sich eine Schutzschicht aus geringvernetztem hydratisierten Zinkphosphat aus. Deren Dicke ist mit unter 15 nm nach 19 Tagen äußerst gering und führt somit zu keinen störenden Interferenzerscheinungen. Die Ausbildung dieser Präzipitatschicht kann durch die Anwesenheit von Sn auf der Floatglasoberfläche erheblich beschleunigt werden.

In this work, the ageing behaviour of float glass was systematically investigated for the first time by XPS and AFM, taking into account three commercially relevant aspects: tempering processes, corrosion when coated with particles and glass protecting agents. Two specific carbonate phases could be detected which are formed on float glass surfaces under the influence of warm, moist ambient air: Dendritic Trona and sodium bicarbonate. Furthermore, Mg diffusion was observed in the surface near region. It is enabled by the accumulation of Na and Ca species on the glass surfaces and the accompanying changes in the glass structure in that region. While the thermal toughening of glasses showed no significant effect on the degradation behavior compared to untoughened glasses, the chemical toughening procedure leads to dramatic changes in the corrosion process: lateral changes in the surface chemistry are more pronounced while chemical changes do not reach as deep as in case of tempered und untoughened glasses. This is related to the integration of K atoms into the glass network during the chemical toughening process replacing the smaller Na species and hence reducing the interstitial spaces within the glass network and so mitigate the corrosive attack of water in the depth. The influence of sand particles from the Sahara on glass corrosion was also investigated. The adhering sand drastically increases the leaching of network modifiers and influences the crystallization processes as well as the chemistry of the glass surface. While it drastically suppresses the formation of carbonate phases, it leads to the formation of Ca-anorthite and Na-phillipsite. These can lead to serious corrosion damages and glass network dissolution since they form a highly alkaline environment under the influence of humidity. For the first time, the influence of a commercially available glass protector on flat glass was investigated in order to assess its potential benefit for float glass cleaning and to understand its protective mechanism. The acidic environment of the protector leads to an increased leaching of Na which enables the diffusion of Zn contained in the protector into the glass. There, the Zn stabilizes the glass network by strengthening weakened bondings. The Bi added to the protector does not diffuse into the glass, but deposits on its surface and protects it there. During long-term exposure, a protective layer of low-crosslinked, hydrated zinc phosphate is formed. Its thickness of less than 15 nm after 19 days of exposure to the protector is extremely low and thus does not lead to any disturbing interference phenomena. The formation of this precipitate layer can be considerably accelerated by the presence of Sn on the float glass surface.

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Reiß, Stephanie: Untersuchung von Glasdegradationsprozessen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Ilmenau 2019.

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