Μελέτη της φθοράς υαλόμαζας με θετική οξειδοαναγωγική αξία

Abstract

Το γυαλί είναι ένα υλικό που χρησιμοποιήθηκε από τους αρχαιοτάτους χρόνους. Οι βασικές τεχνικές κατασκευής του είναι πανάρχαιες και πολλές σύγχρονες τεχνικές και διεργασίες είναι απλώς βελτιώσεις και εκμηχάνιση των παλιών τεχνικών. Τα αρχαιότερα παραδείγματα γυαλιού, που κατασκευάστηκε από τον άνθρωπο, βρέθηκαν στα απομεινάρια των πολιτισμών της Μέσης Ανατολής. Έγχρωμο γυαλί είχε παραχθεί κατά τους αρχαίους χρόνους και ιδιαίτερα από τους Αιγύπτιους και τους Ρωμαίους, οι οποίοι κατάφεραν να κατασκευάσουν μικρά αντικείμενα φτιαγμένα από χρωματισμένο γυαλί. Επίσης υαλογραφημένα αντικείμενα παρουσίασε η περσική και η ασσυριακή τέχνη. Κατά τον μεσαίωνα, η υαλογραφία διακόσμησε τα αραβικά και γενικά τα μουσουλμανικής τέχνης γυάλινα αγγεία.

Το γυαλί είναι ένα υλικό που πλέον βρίσκει πολλές εφαρμογές σε διαφόρους τομείς της σύγχρονης ζωής και δραστηριότητας των ανθρώπων. Χρησιμοποιείται σε πολλές περιπτώσεις όπως στην συσκευασία τροφίμων και φαρμάκων, σαν υλικό διακόσμησης και καλλιτεχνικής έκφρασης, στα φωτοβολταϊκά και στις οπτικές ίνες όπως επίσης και σαν οικοδομικό και μονωτικό υλικό. Το χρωματισμένο γυαλί ειδικότερα, εκτός από την παρουσία του σε καλλιτεχνικά έργα και βιτρό τζάμια, παίζει σημαντικό ρόλο και στην προφύλαξη αγαθών από την ηλιακή ακτινοβολία καθώς περιορίζει την ακτινοβολία που δέχεται ένα προϊόν και έτσι το προστατεύει από αυτή.

Η παρούσα εργασία αποσκοπεί να συμβάλλει στον έλεγχο και την διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν και φθείρουν γυάλινες επιφάνειες με θετική οξειδοαναγωγική αξία ώστε να είναι ασφαλής και υγιεινή η χρήση τους. Πιο συγκεκριμένα για την διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν γυάλινες φιάλες πράσινου χρώματος.

Ειδικότερα εξετάζεται η συμπεριφορά αυτών των γυάλινων φιαλών σε περιβάλλοντα των διαλυμάτων HNO3, H2SO4, HCl, NaOH, Na2CO3, απιονισμένου και υπερκαθαρού νερού, και κατά συνέπεια σε σχέση με το pH αφού άλλα από τα διαλύματα αυτά είναι όξινα, άλλα ουδέτερα και άλλα βασικά. Επίσης γίνεται εξέταση της συμπεριφοράς των γυάλινων φιαλών σε σχέση με την θερμοκρασία (60οC και -20οC).

Η πειραματική διαδικασία χωρίστηκε σε τέσσερα μέρη όπου μελετήθηκαν : 1. η φθορά σκόνης γυαλιού, που παράχθηκε από τις φιάλες, με σκοπό την μελέτη της στις χειρότερες συνθήκες καθώς και την μελέτη της επίδρασης στην δομή του γυαλιού, 2. η φθορά του εσωτερικού των γυάλινων φιαλών με χρήση ολόκληρων των φιαλών, 3. οι επικαθίσεις που εντοπίσθηκαν στα τοιχώματα των φιαλών μετά το τέλος του κύκλου των πειραμάτων και 4. η φθορά της εξωτερικής επιφάνειας των φιαλών με χρήση κομματιών των φιαλών.

Ο χαρακτηρισμός καθώς και ο προσδιορισμός του ποσοστού και του μηχανισμού της φθοράς σε κάθε περίπτωση μελετήθηκε με διάφορες μεθόδους ανάλυσης όπως η Φασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης (AAS), η Φασματοσκοπία Υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourrier (FT-IR), η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), o υπολογισμός του ζ – δυναμικού (z-potential) και η Περίθλαση Ακτινών Χ (XRD).

Η μελέτη των λειοτριβημένων φιαλών έδειξε ότι η φθορά είναι εντονότερη σε αλκαλικό περιβάλλον σε σχέση με το όξινο περιβάλλον το οποίο φάνηκε από την συγκέντρωση ιόντων Si και Ca στα διαλύματα. Το συμπέρασμα αυτό ενισχύθηκε από τις μετρήσεις με FT-IR όπου φάνηκαν μεταβολές στους κύριους κυματαρίθμους του πυριτικού δικτύου καθώς και από τις μετρήσεις του ζ-δυναμικού.

Περαιτέρω μελέτη στο εσωτερικό και το εξωτερικό των φιαλών επιβεβαίωσε τα παραπάνω αποτελέσματα αλλά σε μικρότερο βαθμό όπως ήταν αναμενόμενο δεδομένου ότι στο λειοτριβημένο γυαλί αναμένεται μέγιστη φθορά. Επίσης φάνηκαν διαφορές κατά την μελέτη των φιαλών στους 60οC και στους -20οC καθώς στους -20οC παρατηρήθηκε μικρή αναστολή της φθοράς.

Τέλος, διακριτές διαφορές στην έκταση και τον ρυθμό της φθοράς παρατηρήθηκαν ανάμεσα στις γυάλινες φιάλες που προέρχονται απευθείας από την γραμμή παραγωγής σε σχέση με αυτές που ήταν αποθηκευμένες σε εξωτερικό χώρο, καθώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες είχαν ήδη συνεισφέρει στη διάβρωση των μπουκαλιών αυτών.

Glass is a product that has been used since ancient times. The primary glass manufacturing techniques are indeed ancient and more recent ones can be regarded essentially as improvements and mechanizations of the older ones. The earliest specimens of man-made glass are to be found in Middle-Eastern civilization excavations. Stained glass had been produced mostly by the Egyptians and the Romans in ancient times, who managed to manufacture small objects made by stained glass. The Persian and the Assyrian art presented also objects made by stained glass. During the medieval period, the art of making stained glass decorated glassy vessels of the Arabic and generally the Muslim art.

Glass is a material that has nowadays many applications to different sectors of peoples’ modern life and activities. It is used in a plethora of cases such as the packaging of foods and drugs, the construction and insulation of buildings and it is even known as a decorative material and a mean of artistic representation. Photovoltaic systems and optic fibers use glass as well. More specifically, stained glass apart from its presence to artistic works, it plays a significant role to the protection of goods from solar energy as it constrains the radiation that a product receives and therefore the product is preserved in a better way.

The present study aims at contributing to the examination and the investigation of the parameters that affect and lead to degradation of the glass surfaces with positive redox value in order to ascertain their safe and hygienic use. In particular, glass bottles of green color have been used for the conduct of the experiments.

It is examined, more specifically, the behavior of these glass bottles in environmental conditions where the following solutions are present: HNO3, H2SO4, HCl, NaOH, Na2CO3, deionized water and hyper saturated water. As a result, the glass is examined in relation to the pH since some solutions are acidic, other neutral and other basic and finally in correlation to temperature (60οC and -20οC).

The experimental part has been divided into four parts, with each one examining respectively: 1. The degradation of glass powder, which had been produced by the bottles, in order to study this phenomenon in the worst possible conditions and the effect on the structure of glass, 2. The degradation of the inner surface of glass bottles using intact bottles, 3. The deposits that were detected inside the glass bottles after the experiments on them were conducted, 4. The degradation of the outer surface of glass bottles using bottle fragments.

The characterization as well as the determination of the percentage and the mechanism of the degradation was examined by applying different methods of analysis, including Atomic Absorption Spectrophotometry (AAS), Infrared Spectrometry with Fourier Transformation (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Z-Potential Calculation and X-Ray Diffraction(XRD).

The study of the grinded glass bottles has revealed that the degradation is greater in alkaline environment compared to an acidic one, as it can be deducted from the Si and Ca ion concentrations in the solutions. These findings are reinforced by the FT-IR measurements, which indicate fluctuations regarding the primary wavenumbers of silicate network, as well as by the Z-potential measurements.

Further examination of both the inner and outer surface of the bottles confirmed the above findings, albeit to a smaller degree, which was to be anticipated, since maximum degradation was indeed expected to occur in the grinded glass. Moreover, further variations were revealed during the study of the bottles in the environments of 60οC and -20οC, since as far as the latter was concerned a small suspension of degradation was observed.

Finally, apparent variations regarding the extent and the progress of the degradation were to be observed between the glass bottles directly acquired from the production line and those acquired from open storage, since the environmental conditions had already contribute to the degradation of the latter glass bottles.