Alkaliselbstdiffusion und Kalium-Natrium-Ionenaustausch bei einem Natrium-Calciumsilicatglas

Abstract

An Gläsern des Systems (14-x) Na₂O * x K₂O * 12 CaO * * 74 SiO₂ wurden die Natrium- und Kaliumselbstdiffusionskoeffizienten sowie für das reine Natriumglas der K/Na-Ionenaustausch im Temperaturintervall von 347 bis 565 °C untersucht. Die Bestimmung der Alkahkonzentrationsprofile in den Gläsern erfolgte radiometrisch. Es wurden die Selbstdiffusionskoeffizienten, der konzentrationsabhängige Interdiffusionskoeffizient und die reale Gleichgewichtskonstante des lonenaustauschprozesses ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, daß der thermodynamische Faktor für geringe Kaliumkonzentrationen in der ionenausgetauschten Schicht des Glases praktisch gleich 1 ist. Aus den Abweichungen zwischen den aus Selbstdiffusionsdaten berechneten und den experimentell bestimmten Interdiffusionskoeffizienten wurden für höhere K₂O-Gehalte aus dem druckabhängigen Term des thermodynamischen Faktors die maximalen Vorspannungsintensitäten berechnet. Sie liegen etwa 30 bis 40 % niedriger als bei vergleichbaren Natrium-Alumosilicatgläsern. Aus dem Vergleich der Aktivierungsenergien der Kaliumselbstdiffusion und des K/Na-Ionenaustauschs sowie aus den berechneten Aktivierungsvolumina bei der Diffusion durch die als Folge des K/Na-Austauschs druckvorgespannte Oberflächenzone wurde abgeleitet, daß die Beweglichkeit der Kaliumionen den geschwindigkeitsbestimmenden Faktor des ablaufenden Austauschvorgangs darstellt. Alkali self diffusion and sodium-potassium ion exchange in a sode-lime-silica glass Sodium and potassium seif diffusion coefficients were determined for glasses in the system (14-x) Na₂O * x K₂O * 12 CaO * * 74 SiO₂, as well as for K/Na ion exchange in the pure soda glass, in the temperature range 347 to 565 °C. Alkali concentration profiles in the glasses were determined by radioactive techniques. The self diffusion coefficients, the concentration dependent interdiffusion coefficient and the actual equilibrium constant of the ion exchange process were determined. The results show that for low potassium concentrations the thermodynamic factor in the ion exchanged layer is practically unity. The differences between the measured interdiffusion coefficients and those calculated from the self diffusion data were used to estimate the maximum stress intensities from the pressure dependent term in the thermodynamic factor, for higher potash contents. They were around 30 to 40 % lower than for similar sodium aluminosilicate glasses. From comparison of the activation energies for potassium self diffusion and for the Na/K ion exchange and also from the activation volumes for diffusion through the surface zone stressed by the ion exchange, it was deduced that the mobility of the potassium ion is the rate determining factor in the exchange. Autodiffusion d'alcali et échange d'ions potassium-sodium dans un verre silicosodocalcique Pour des verres du système (14-x) Na₂O * x K₂O * 12 CaO * * 74 SiO₂, on a étudié les coefficients d'autodiffusion du sodium et du potassium et, pour le verre contenant seulement du sodium, l'échange d'ions K/Na pour des températures de 347 à 565 °C. Les profils de concentration des alcalis dans les verres ont été déterminés par méthode radiométrique. On a obtenu les coefficients d'autodiffusion, le coefficient d'interdiffusion dépendant de la concentration et la constante réelle d'équilibre du processus d'échange. Les résultats montrent que le facteur thermodynamique est pratiquement égal à 1 pour de faibles concentrations en potassium dans la couche du verre ayant subi l'échange. A partir des écarts entre les coefficients d'interdiffusion calculés à partir des données d'autodiffusion et determinés expérimentalement, on a calculé, pour des teneurs élevées en K₂O, les intensités maximales de contrainte en partant du terme variable avec la pression dans le facteur thermodynamique. Ces intensités sont 30 à 40 % plus faibles que pour des verres analogues d'aluminosilicate de sodium. En comparant les énergies d'activation de l'autodiffusion du potassium et de l'échange d'ions K/Na, et en utilisant les valeurs calculées des volumes d'activation lors de la diffusion à travers la couche superficielle déformée en compression par suite de l'échange K/Na, on a déduit que la mobilité des ions potassium représente le facteur déterminant la vitesse du processus d'échange.