Würde das Glas korrodieren, wenn man eine Glasfaser direkt in Schwefelsäure oder eine starke Lauge taucht?
Wenn die Faser direkt in konzentrierte Schwefelsäure oder stark alkalische wässrige Lösungen eingetaucht wird, sind die chemischen Reaktionen des Glasfaserkörpers (Siliziumdioxidglas \text{SiO}_2 ) unterschiedlich.
Eins: Einfluss von Schwefelsäure (starke Säure) auf Glasfasern
Glas wird nicht von Schwefelsäure korrodiert.
Die Hauptbestandteile von Kommunikations- und Sensorfasern sind hochreines Siliziumdioxid (\text{SiO}_2). Siliziumdioxid ist chemisch sehr säurebeständig:
- Säurebeständigkeitsmechanismus: Mit Ausnahme von Flusssäure ( \text{HF} ) reagiert Siliziumdioxid nicht mit den meisten anorganischen Säuren (wie Schwefelsäure \text{H}_2\text{SO}_4, Salzsäure \text{HCl}, Salpetersäure \text{HNO}_3) oder organischen Säuren. Daher können Schwefelsäuremoleküle die Silizium-Sauerstoff-Bindungen ( \text{Si}-\text{O}-\text{Si} ) des Siliziumdioxid-Netzwerks nicht zerstören.
- Spezielle Ausnahme: Die einzige Säure, die Glas heftig korrodiert, ist Flusssäure ( \text{HF} ), deren Reaktionsgleichung lautet:
\text{SiO}_2 + 4\text{HF} \rightarrow \text{SiF}_4\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}
Flusssäure löst Siliziumdioxidglas schnell auf.
Es ist zu beachten, dass Schwefelsäure zwar das Glas selbst nicht auflöst, aber als konzentrierte Schwefelsäure äußerst dehydrierend und oxidierend wirkt. Sie greift die organische Polymermantelschicht (z. B. Acrylat-Mantelschicht) an der äußersten Schicht der Glasfaser an und verkohlt sie, was zum Ablösen der Mantelschicht führt und das nackte Glas mechanischen Spannungen aussetzt.
Zwei: Einfluss von stark alkalischen wässrigen Lösungen (z. B. \text{NaOH} / \text{KOH}) auf Glasfasern
Glas wird von starken Laugen korrodiert.
Siliziumdioxid ist ein saures Oxid und hydrolysiert und wird in stark alkalischen wässrigen Lösungen alkalisch korrodiert:
- Korrosionsmechanismus: Hydroxidionen ( \text{OH}^- ) in der alkalischen Lösung greifen direkt die Siliziumdioxid-Netzwerkstruktur an, brechen die \text{Si}-\text{O}-\text{Si}-Bindungen und bilden lösliche Silikate (wie Natriumsilikat \text{Na}_2\text{SiO}_3 ):
\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O} - Form der technischen Zerstörung:
- Oberflächenaufrauung und Hydrolyse: Die Korrosion führt zu Mikrorissen (Micro-cracks) auf der Glasoberfläche und verringert die Zugfestigkeit der Glasfaser erheblich.
- Reduzierung der geometrischen Abmessungen: Mit fortschreitender Korrosion wird der Außendurchmesser des Glasfaser-Claddings allmählich dünner, was schließlich zur Zerstörung der optischen Wellenleiterstruktur führt, mit stark erhöhter Lichtdämpfung oder sogar Glasbruch.
- Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit: Je höher die Alkalikonzentration und je höher die Temperatur (z. B. über 60^\circ\text{C} ), desto schneller ist die Korrosionsrate des Glases.
Drei: Schutzmaßnahmen für Glasfasern in stark korrosiven Umgebungen
Bei der Glasfaser-Sensorik oder -Übertragung in Umgebungen mit starken Säuren, Basen oder komplexen korrosiven Medien kann nicht direkt auf Standard-Polymer-beschichtete Blankfasern zurückgegriffen werden. Normalerweise werden spezielle Metallbeschichtungen oder nahtlose Edelstahlrohre für die physikalische und chemische Isolierung verwendet.
1. Goldbeschichtete Spezialglasfaser
Für extreme chemische Erosionsumgebungen können organische Beschichtungen durch Metallbeschichtungen ersetzt werden, z. B. OFSCN® Gold-coated Optical Fiber. Goldbeschichtungen können die Erosion des inneren Glas-Claddings durch saure und alkalische Flüssigkeiten und Feuchtigkeit wirksam verhindern.
2. Nahtlose Stahlrohrpanzerung
In industriellen Anlagen oder aggressiven flüssigen Umgebungen wie der nassen Metallurgie werden häufig nahtlose 316L-Edelstahlrohre für die Umhüllung und den Schutz verwendet, z. B. OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable. 316L-Edelstahl bietet eine ausgezeichnete Säure- und Alkalibeständigkeit sowie Leckschutz und verhindert den direkten chemischen Kontakt mit der internen Glasfaser.
