Chemical properties of hydrolyzed surface layers on SiO₂-BaO-B₂O₃

Abstract

The leaching process of SiO2-BaO-B2O3 glass in distilled water and the subsequent processes during storage in air were studied to complete the recent investigations on the interaction of SiO2-BaO-B2O33 glass with polishing slurries. The in-depth distributions of hydrogen and glass constituents existing in the leached surface layers were measured using nuclear reaction analysis and Rutherford backscattering spectrometry. Hydrogen uptake, barium loss and redeposition of dissolved zirconium-containing material on the surface occurred during the interaction with water. Changes of the in-depth distributions caused by reactions between the molecular water from the air, the materials of the leached surface layers and the glass components during a subsequent storage in air at room temperature were also observed. The analyses show unequivocally that the chemical driving forces of these reactions exhibit differences which depend exclusively on the different chemical properties of the leached surface-layer materials. These properties are on their part determined by different leaching agents and parameters. Consequences for the control of chemical interactions of silicate glass surfaces during the fabrication of optical surfaces are considered. Der Auslaugungsprozeß von SiO2-BaO-B2O3-Glas in destilliertem Wasser und die Folgeprozesse während der Lagerung in Luft wurden zur Ergänzung vorausgegangener Arbeiten über die Wechselwirkung von SiO2-BaO-B2O3-Glas mit Polierbrühen untersucht. Die Tiefenverteilungen von Wasserstoff und Glasbestandteilen in den ausgelaugten Oberflächenschichten wurden mit der Kernreaktionsanalyse und der Rutherford-Rückstreuspektrometrie gemessen. Während der Wechselwirkung mit Wasser erfolgten Wasserstoffaufnahme, Bariumverlust und Redeposition von zirkoniumhaltigem Material. Außerdem wurden Änderungen der Tiefenverteilungen beobachtet, die durch Reaktionen von molekularem Wasser aus der Luft mit den Materialien der ausgelaugten Oberflächenschichten und den Glasbestandteilen während einer nachfolgenden Lagerung in Luft bei Raumtemperatur verursacht wurden. Die Analysen zeigen eindeutig, daß die treibenden chemischen Kräfte dieser Reaktionen Unterschiede aufweisen, die ausschließlich von den unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der ausgelaugten Oberflächenschichten abhängen. Diese Eigenschaften werden ihrerseits durch die unterschiedlichen Auslaugagenzien und -Parameter bestimmt. Konsequenzen für die Kontrolle chemischer Reaktionen von Silicatglasoberflächen während der Produktion von optischen Oberflächen werden behandelt.