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【1】1.2.2玻璃表面张力与组成、温度的关系

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-22  来源:www.shuijing.info  作者:水晶信息网  浏览次数:1849
核心提示:1.2.2玻璃表面张力与组成、温度的关系
 1.2.2玻璃表面张力与组成、温度的关系

    如前所述,表面张力是由于排列在表面层(或相界面)的质点受力不均衡引起的,故这个力场相差越大,表面张力越大,因此凡是影响熔体质点间相互作用力(分子键结合力)的因素,都将直接影响表面张力的大小。主要包括玻璃的组成、温度等。
  (1)与组成的关系     对于硅酸盐熔体,随着组成的变化,特别是O/Si比值的变化,其复合阴离子团的大小、形态和作用力矩e/r 大小也发生变化(e是阴离子团所带的电荷,r是阴离子团的半径)。一般来说O/Si越小,熔体中复合阴离子团越大,e/r值变小,相互作用力越小,因此,这些复合阴离子团就部分地被排挤到熔体表面层,使表面张力降低。一价金属阳离子以断网为主,它的加入能使复合阴离子团离解,由于复合阴离子团的r减小使e/r值增大,相互间作用力増加,表面张力増大。如图1-1所示。
    从图1-1可以看出,在不同温度下,随着Na2O含量増多,表面张力σ增大。但对于Na2O-SiO2系统,随着离子半径的增加,这种作用依次减小。其顺序为:
                                      σLi2O-SiO2 >  σNa2O-siO2 >  σK2O-SiO2 >  σCs2-SiO2
                 到K2O时已经起到降低表面张力的作用,如图1-2所示。

图1-1图1-2

    各种氧化物对玻璃的表面张力的影响是不同的,Al2O3、CaO、MgO等增加表面张力,引入大量的K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等氧化物则起显著地降低效应,而Cr2O3、V2O5、MoO3、WO3等氧化物,即使引人量较少,也可剧烈的降低表面张力。例如,在锂硅酸盐玻璃中引入33%的K2O可能使表面张力从317×10^-3 N/m降到212×10^-3 N/m,往同样玻璃中只要引入7%的V2O5时,表面张力就降到100×10^-3 N/m。
     一般能使熔体表面张力剧烈降低的物质称为表面活性物质。表面活性物质与非表面活性物质对多元硅酸盐系统表面张力影响的程度有很大的差别。表1-1是当玻璃熔体与空气为界面时,各种组分对表面张力的影响。
     表1-1中,第Ⅰ类组成氧化物包括SiO2、TiO2、ZrO2等,对表面张力符合加和性法则,可用下式计算:

玻璃的表面张力4
式中   σ一玻璃的表面张力;
          σi一各种氧化物组分的平均表面张力因数(常数,表1-1);
          ai一每一种氧化物的摩尔分数。
                                         表1-1组成氧化物对玻璃表面张力的影响
表面张力

    如果组成氧化物为质量百分数计算时,则可用表1-2所给出的表面张力因数
计算
            表1-2不同温度下的表面张力因数
玻璃的表面张力6
    第Ⅱ类和第Ⅲ类组成氧化物对熔体的表面张力影响,不符合加和法则。这时熔体的表面张力是组分的复合函数,因为这两类组分氧化物为表面活性物质,它们总是趋于自动聚集在表面(这现象为吸附)以降低体系的表面能,从而使表面层与熔体内的组成不均一。
  (2)与温度的关系   从表面张力的概念可知,温度升高,质点热运动增加,体积膨胀,相互作用力松弛,因此,液-气界面上的质点在界面两侧所受的力场差异也随之减少,即表面张力降低,因此表面张力与温度的关系几乎成直线。在高温时,玻璃的表面张力受温度变化的影响不大,一般温度每增100℃,表面张力约减少(4-10)×10^-3N/m。当玻璃温度降到接近其软化温度范围时,其表面张力会显著增加,这是因为此时体积突然收缩,质点间作用力显著增大所致,如图1-3所示。
玻璃的表面张力5
                                图1-3
   由图1-3可看出,在高温及低温区,表面张力均随温度的增加而减小,二者几乎呈直线关系,可用下述经验式表示:
玻璃的表面张力7

      式(1-2)对于不缔合或解离的液体具有良好的适用性。但由于硅酸盐玻璃熔体随着温度变化,复合硅氧阴离子团会发生解离或缔合作用,因此在软化温度附近出现转折,不呈线性关系,固不能用上述经验公式表示。
      另外某些系统,如 Pbo-siO2出现反常现象,其表面张力随温度升高而变大,温度系数为正值。这可能是Pb^2+离子具有较大的极化率之故。一般含有表面活性物质的系统均有与此相似的行为,这可能与较高温度下出现的“解吸”过程有关。
     对硼酸盐玻璃熔体,随着碱含量减少,表面张力的温度系数由负逐渐接近零值,当碱含量再减少时dσ/dT将出现正值。这是由于温度升高时,熔体中各组分的活动能力增强,扰乱了熔体表面[BO3]平面基团的整齐排列,致使表面张力增大。B2O3玻璃熔体在1000℃左右的dσ/dT≈0.04×10^-3  N/m。
    一般硅酸盐玻璃熔体的表面张力温度系数并不大,波动范围在(-0.06+0.06)×10^-3N/(m・℃)。
    玻璃熔体周围的气体介质对其表面张力也产生一定的影响,非极性气体如干燥的空气、N2、H2、He等对表面张力的影响较小,而极性气体如水蒸气、SO2、NH3和HCl等对玻璃表面张力的影响较大,通常使表面张力有明显的降低,而且介质的极性越强,表面张力降低得越多,即与气体的偶极矩成正比。特别在低温时(如550℃左右),此现象较明显。当温度升高时,由于气体被吸附能力降低,气氛的影响同时减小,在温度超过850℃或更高时,此现象完全消失。在实际生产中,玻璃较多的和水蒸气、SO2等气体接触,因此研究这些气体对玻璃表面张力的影响具有一定意义。
      此外熔炉中的气氛性质对玻璃液的表面张力有强烈影响。一般还原气氛下玻璃熔体的表面张力较氧化气氛下大20%。由于表面张力增大,玻璃熔体表面趋于收缩,这样促使新的玻璃液达到表面,这对于熔制棕色玻璃时保持色泽的均匀性,有着重大意义。


 
 
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