化學(xué)功能玻璃

化學(xué)功能玻璃第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月白霧第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一.玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性酸、堿、氣、水。1.水對玻璃的侵蝕硅酸鹽玻璃在水中的溶解過程比較復(fù)雜。水對玻璃的侵蝕開始于水中的H+和玻璃中的Na+離子進(jìn)行交換。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，Si原子周圍的四個橋氧原子全部成為OH，這就是水分子對硅氧骨架的直接破壞。但是，當(dāng)玻璃中含有Ca2+等其他較大半徑的離子存在時，能夠極大地阻礙Na+離子的擴(kuò)散，從而在很大程度上阻止了水對玻璃的侵蝕。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.酸對玻璃的侵蝕除氫氟酸外，一般的酸并不直接與玻璃發(fā)生作用，它是通過水的作用侵蝕玻璃。因此，濃酸不如稀酸對玻璃的侵蝕大。當(dāng)玻璃中R2O含量大時，也就是高堿玻璃，玻璃的耐酸性較大，而耐水性較差。當(dāng)玻璃中R2O含量較小，而SiO2含量較高時，玻璃的耐酸性較小，而耐水性較好。第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.堿對玻璃的侵蝕堿對玻璃的侵蝕是通過OH-離子破壞硅氧骨架，使SiO2溶解在溶液中。在侵蝕的過程中，會出現(xiàn)玻璃表面層脫落的現(xiàn)象。玻璃受堿的侵蝕共分三個階段：一.堿溶液中的陽離子首先吸附在玻璃表面上；二.陽離子在吸附玻璃表面的同時，也有束縛周圍OH-離子的作用。并且隨著周圍OH-濃度的升高，對于硅氧鍵的攻擊和斷裂表面鍵的作用越來越明顯；三.硅氧骨架被破壞后，與吸附在玻璃表面的陽離子形成硅酸鹽，并逐漸溶解在堿溶液中。由此，加劇了玻璃的侵蝕。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃的耐堿能力，還與其中含有的各種R-O鍵的強(qiáng)度有關(guān)。隨著R+和R2+離子半徑的增大，玻璃的耐堿能力降低。高配位、高場強(qiáng)的陽離子能提高玻璃的耐堿性。稀土離子通常具有較高的配位和場強(qiáng)。比如，在硼鋁硅酸鹽玻璃中，微量稀土（La3+、Sm3+等）離子的介入起到了較強(qiáng)的積聚作用，加強(qiáng)了玻璃網(wǎng)絡(luò)的牢固程度，從而大大增強(qiáng)了玻璃的抗堿侵蝕能力。第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.大氣對玻璃的侵蝕1.玻璃表面的某些離子吸附了空氣中的水分子，水分子以O(shè)H-離子基團(tuán)的形式存在于玻璃表面。這些原子團(tuán)不斷吸收水分，形成厚達(dá)幾十個分子的薄層；2.如果Na2O、CaO等堿性氧化物含量較少，這些薄層形成后就不再發(fā)展；如果堿性氧化物含量較多，被吸附的水膜就變成了氫氧化物的溶液，并進(jìn)一步吸收水分，使玻璃表面受到破壞。第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月塑料吊瓶和玻璃吊瓶哪個更安全？兼容性和穩(wěn)定性的問題。第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月塑料吊瓶－－價格高。與特殊藥品接觸后，是否會產(chǎn)生影響藥效的因素，需要臨床觀察和進(jìn)一步考證。玻璃吊瓶－－價格低。與含鈣、碳酸氫鈉等藥品長期接觸，會產(chǎn)生“小白點”，影響藥液澄清度。關(guān)于其影響藥效的問題，尚未見報道。玻璃容器產(chǎn)生脫片的原因：一.玻璃表面層中，可溶性成分溶出后，由于不溶性的高硅氧殘存薄膜的剝離；二.原溶液中存在的多價金屬離子，在玻璃表面形成含水硅酸鹽薄膜后剝離。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月水質(zhì)對玻璃脫片的影響：蒸餾水幾乎不發(fā)生脫片；自來水容易脫片；PH值低的不容易脫片；PH值高的容易脫片；同樣條件下，對于堿溶出量多的玻璃和組成中引入MgO的玻璃，也容易脫片。

即使對于結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的石英玻璃，也有脫片現(xiàn)象。隨溶液溫度的升高，侵蝕時間的增長而加劇。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二.化學(xué)功能玻璃品種簡介耐堿玻璃；抗菌玻璃；玻璃肥料；生物玻璃；………………第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1耐堿玻璃G.R.C－－玻璃纖維增強(qiáng)混凝土耐堿玻璃纖維被用來制作G.R.C，是最近國內(nèi)(指日本)使用量增加的一個因素。部份G.R.G制品甚至被稱為“理想的建筑材料”。特別由于它的優(yōu)良的抗沖擊性,高的抗彎強(qiáng)度,已開始使用在墻壁、天花板、地板、街道、輸水管道、水池、酸雨地區(qū)建筑物、近海地區(qū)碼頭、采油平臺、化工廠等等方面。因為混凝土是堿性的,所以要求玻璃纖維具有耐堿侵蝕性能。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么采用常規(guī)的玻璃纖維不能用于G.R.C？（1）水泥硬化強(qiáng)堿性12.5-13；（2）玻璃纖維比表面積大1200；（3）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的硼硅酸鹽玻璃纖維，也會侵蝕殆盡。耐堿玻璃的組成；制備、性能、應(yīng)用。第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1耐堿玻璃的組成特點（1）提高玻璃耐堿性的氧化物有ZrO2、SnO2、La2O3；（2）降低玻璃耐堿性的氧化物有Al2O3、P2O5、Fe2O3、PbO；（3）對堿離子按侵蝕量排序：Ba2+>Sr2+>NH4+>Na+>Li+。所以，目前的耐堿玻璃組成基本為Na2O-CaO-ZrO2-SiO2體系。2.1.2制備、性能a.制備原料主要為鋯英石、石英砂、石灰石、純堿等。窯爐可采用電熔窯。拉絲法制備纖維。第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月b.性能侵蝕量：1mol/LNaOH1.5h5%;飽和Ca(OH)2溶液4h1％以下。GRC在自然狀態(tài)下應(yīng)保持較長的使用壽命。英國建筑研究所與皮爾金頓公司合作研究表明，20年內(nèi)GRC的初始強(qiáng)度會降低60％以上。因此，還需改善GRC的性能。如：（1）繼續(xù)提高纖維的耐堿性；（2）降低水泥的堿性；在提高纖維耐堿性方面，可以向組成中加入10％左右的La2O3，使耐堿性得到明顯提高，但同時也提高了成本。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月英國皮爾金頓公司創(chuàng)建于1826年，是浮法工藝的發(fā)明人，在世界24個國家有制造業(yè)務(wù)，銷售業(yè)務(wù)遍及130個國家。皮爾金頓公司每年投入的科研開發(fā)經(jīng)費為3500萬英磅。

皮爾金頓公司主要產(chǎn)品有建筑用產(chǎn)品、離線鍍膜產(chǎn)品、汽車玻璃鍍膜產(chǎn)品、夾層玻璃、鋼化玻璃、制鏡和飛機(jī)用玻璃產(chǎn)品。皮爾金頓實現(xiàn)的銷售收入80%來自海外。按地域分，一半以上的銷售收入源自歐洲，1/3以上來自北美，其他為南美和澳大利亞。皮爾金頓在世界建筑玻璃市場和汽車玻璃市場都占有較大的份額。皮爾金頓于1983年在上海設(shè)立分支機(jī)構(gòu)，并投資建廠。截止目前，已在天津、廣東、江蘇、常熟等地建廠。其產(chǎn)品和研發(fā)深深影響著國內(nèi)外的相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2抗菌玻璃玻璃抗菌劑抗菌性－－抑制細(xì)菌增長發(fā)育的性能；殺菌性－－殺死細(xì)菌或接近無菌狀態(tài)的性能?？咕鷦┓钟袡C(jī)和無機(jī)兩種。但是有機(jī)抗菌劑具有污染環(huán)境、耐熱性差等缺點。為了凈化環(huán)境而開發(fā)了各種低毒安全的無機(jī)抗菌劑，廣泛用于建材、涂料、塑料、陶瓷、化妝品、文具、玩具等領(lǐng)域。玻璃抗菌劑是其中的一類。玻璃抗菌劑是以化學(xué)穩(wěn)定性差的玻璃為載體，玻璃組成中加入抗菌金屬離子，在有水汽的環(huán)境下這些抗菌離子緩慢溶出而達(dá)到抗菌作用。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月抗菌機(jī)理：

抗菌金屬離子接觸細(xì)菌等微生物后，阻礙微生物的呼吸、電子遷移以及代謝，阻礙酵素作用及破壞蛋白質(zhì)等，以達(dá)到抑菌滅菌的作用。金屬離子抗菌順序：Ag、Co、Ni、Al、Cu、Zn、Fe、Mn、Sn、Ba、Mg、Ca等，一般常用的為Ag、Zn、Cu的離子。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1抗菌玻璃的種類與化學(xué)組成（1）化學(xué)穩(wěn)定性—溶解性一般玻璃化學(xué)穩(wěn)定性良好；抗菌玻璃：堿金屬離子斷網(wǎng)，水緩慢溶出。因此，玻璃中添加B2O3、Na2O等能夠提高溶解性，添加Al2O3、ZnO等能夠降低溶解性。（2）玻璃系統(tǒng)選擇溶入Ag+、Cu2+等才可以具有抗菌性；Ag+極易氧化Ag膠體（黃褐色）；銀離子穩(wěn)定性：硅酸鹽<硼酸鹽<磷酸鹽，硅酸鹽1%，磷酸鹽10%；因此，硼酸鹽或磷酸鹽系統(tǒng)可以使玻璃中的銀離子穩(wěn)定存在。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月納米抗菌的“世界”第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3玻璃肥料上世紀(jì)50年代，速溶型氮磷鉀肥料出現(xiàn)，幾天--—幾十天即可水溶；但是在雨水沖刷下很快進(jìn)入江河湖泊，造成水質(zhì)富營養(yǎng)化。另外，由于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需求，對無土栽培和工業(yè)化生產(chǎn)果蔬提出要求。因此，玻璃肥料的研究再次引人注目。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃肥料的特點：（1）肥效長，有利吸收；（2）環(huán)境保護(hù)，可用固體廢料為原料，如粉煤灰、煉鋼礦渣等；（3）減少施肥次數(shù)，可一次性埋入；（4）根據(jù)土壤狀況，引入植物所需元素。第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）玻璃肥料的系統(tǒng)組成a.植物所需主要為P5+、K+兩種離子，因而選用磷酸鹽玻璃，如K2O-CaO-MgO-P2O5系統(tǒng)；b.還可以在硅酸鹽系統(tǒng)中引入較多的P2O5，如K2O-CaO-MgO-Al2O3-P2O5-SiO2系統(tǒng)玻璃；c.固體廢料系統(tǒng)。如煉鋼脫硅礦渣，主要含SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MnO2等氧化物；粉煤灰，添加鉀鹽、磷酸鹽后制成玻璃肥料。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）緩釋性0.2克玻璃顆粒，置于10mL水中30小時后，測其失重；玻璃拉制成纖維，置于pH7的醋酸銨溶液中6小時后，測主要離子濃度，如P2O5、K2O、CaO、MgO、Fe2O3等。（3）其他特殊組成組成中添加稀土元素，可以使柑橘、葡萄、西瓜等植物含糖量提高。第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4生物玻璃能實現(xiàn)特定的生物、生理功能的玻璃。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結(jié)合，起到修復(fù)骨組織、恢復(fù)其功能的作用。生物玻璃是美國人L.L.亨奇于1969年發(fā)明的。其主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaF2、B2O3等，則可得到一系列有實用價值的生物玻璃。第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月生物玻璃的出現(xiàn)生物玻璃主要用于牙齒、骨骼等硬組織的修復(fù)材料。其出現(xiàn)，在于硬組織粉碎或骨折后的人工修復(fù)。不銹鋼、鈦合金以及有機(jī)高分子材料等曾經(jīng)被考慮選用，但是，這些材料均不具備生物活性。而玻璃材料存在不排異現(xiàn)象因而可以具有生物活性。若將它們與金屬、有機(jī)高分子復(fù)合，則可以得到既具有力學(xué)性能又具活性及相容性的修復(fù)材料。第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月人體骨骼特征30%有機(jī)質(zhì)和70%無機(jī)質(zhì)組成。有機(jī)質(zhì)絕大部分為膠原蛋白纖維，無機(jī)質(zhì)則主要為羥基磷灰石晶體，分子式為[Ca10(PO4)6(OH)2]。羥基磷灰石為微細(xì)針狀晶體，膠原蛋白纖維排列在這些晶體周圍。牙齒與骨骼具有類似結(jié)構(gòu)，僅在其外層為釉層。第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1生物玻璃的種類（1）生物活性玻璃（2）含堿的磷鈣硅系生物微晶玻璃（3）可切削生物微晶玻璃（4）臨床治療用生物玻璃第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）生物活性玻璃能與自然骨形成牢固結(jié)合。典型組成為SiO2—45%、P2O5—6%、CaO—24.5%、Na2O—24.5%。在圖中A區(qū)的組成范圍下，玻璃表面先形成富SiO2層，隨后Ca、P等元素在其上沉積并形成羥基磷灰石膜，由此與活體骨發(fā)生鍵合。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月制備方法：熔融法和溶膠-凝膠法。熔融法制得的生物玻璃結(jié)構(gòu)致密、比表面積小、而且SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不能超過60%，否則玻璃不再具有生物活性。溶膠-凝膠法制得的玻璃通常具有較大的比表面積、控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而加速了玻璃在生物體內(nèi)的降解。溶膠-凝膠法……，制得的SiO2-CaO-P2O5、SiO2-CaO玻璃，含有大量孔徑為5-100nm的中孔，其比表面積是熔融法制得玻璃的上萬倍。為無定形磷酸鈣的形成提供更多Si-O成核空間，降解速度和表面形成HCA層的速度也更快，因而具有更高的生物活性。尤其是當(dāng)SiO2含量達(dá)到77%時，玻璃仍具有較高的生物活性。該類玻璃的特點是生物活性好，彈性模量低，抗彎強(qiáng)度小，因此不能用于人體承受載荷部位，主要用作中耳骨修復(fù)、面部整容、神經(jīng)性耳聾醫(yī)治等。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）含堿的磷鈣硅系統(tǒng)生物微晶玻璃該類玻璃的抗彎、抗壓強(qiáng)度均較生物活性玻璃有所提高。Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2系統(tǒng)中通過減少堿金屬氧化物的含量，并經(jīng)微晶化處理而制得的含有碳酸磷灰石的生物微晶玻璃。較低的堿金屬氧化物含量，避免了Na+、K+的溶出，對強(qiáng)度較低的SiO2凝膠層的生成有一定的阻礙作用，微晶化處理使玻璃含有較多的磷灰石晶體，因而既提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，又保留了生物活性，能與活體骨形成緊密結(jié)合。一般用于顎骨修復(fù)、骨水泥材料等。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）可切削生物微晶玻璃普通玻璃無法同時具備生物活性和可切削性?？梢栽诓Ａе幸朐颇妇?，實現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶相在玻璃中形成交錯排列的結(jié)構(gòu)時，能控制結(jié)構(gòu)中微裂紋的擴(kuò)展方向，可以用普通刀具對這類玻璃進(jìn)行切削加工。第32頁，課件共34頁