第4章玻璃的粘度,表面性質(zhì)

1、第第4章章 玻璃的粘度和表面性質(zhì)玻璃的粘度和表面性質(zhì)粘度表面張力潤(rùn)濕性表面離子交換 玻璃體的性質(zhì)玻璃體的性質(zhì)粘度粘度 表面張力表面張力玻玻璃璃體體性性質(zhì)質(zhì)粘度的含義、理論解釋粘度的含義、理論解釋粘度與溫度的關(guān)系粘度與溫度的關(guān)系粘度與熔體結(jié)構(gòu)的關(guān)系粘度與熔體結(jié)構(gòu)的關(guān)系粘度與組成的關(guān)系粘度與組成的關(guān)系粘度對(duì)玻璃生產(chǎn)的影響粘度對(duì)玻璃生產(chǎn)的影響表面張力的含義表面張力的含義表面張力與溫度的關(guān)系表面張力與溫度的關(guān)系表面張力與組成的關(guān)系表面張力與組成的關(guān)系表面張力對(duì)玻璃生產(chǎn)的影響表面張力對(duì)玻璃生產(chǎn)的影響4.1 玻璃的粘度定義 粘度是指面積為S的兩平行液面，以一定的速度梯度dV/dx移動(dòng)時(shí)所需克服的內(nèi)摩擦阻力

2、f。單位：?jiǎn)挝唬篜as或或Ns/m2。 f=SdxdV概念的引出：把玻璃熔體看作“牛頓型流體牛頓型流體”，即在剪切應(yīng)力下產(chǎn)生的剪切速度 dv/dx 與剪應(yīng)力成正比：4.1.1 粘度在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用o玻璃的熔制玻璃的熔制（原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴(kuò)散均化原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴(kuò)散均化）o玻璃的成形玻璃的成形（不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料性）性）o玻璃的退火玻璃的退火（粘滯流動(dòng)、彈性松弛，對(duì)制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度（粘滯流動(dòng)、彈性松弛，對(duì)制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度有重要的影響）有重要的影響）o玻璃的鋼化、微晶化、分相、顯色玻璃的鋼化

3、、微晶化、分相、顯色等過(guò)程中溫度制度的制定，都必須考慮粘度的影響。玻璃生產(chǎn)中的粘度點(diǎn)玻璃生產(chǎn)中的粘度點(diǎn)1）熔化溫度范圍：）熔化溫度范圍：50500泊泊 2）工作溫度范圍：）工作溫度范圍：103107泊泊 3）退火溫度范圍：）退火溫度范圍：10121013泊泊 粘度參考點(diǎn)1013.6Pas，退火下限溫度1012Pas，退火上限溫度1012.4Pas，Tg10101011Pas106107Pas，操作溫度下限102103Pas，操作溫度上限10Pas4.1.2 4.1.2 粘度的理論解釋粘度的理論解釋1、絕對(duì)速度理論、絕對(duì)速度理論2、自由體積理論自由體積理論3、過(guò)剩熵理論、過(guò)剩熵理論1、絕對(duì)速度理

4、論、絕對(duì)速度理論流動(dòng)度流動(dòng)度E/kT)exp(-0粘度粘度E/kT)exp(01/ 式中：式中：E 質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的活化能質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的活化能 0 與熔體有關(guān)的常數(shù)與熔體有關(guān)的常數(shù) k 波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) T 絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度將粘度公式取對(duì)數(shù)：將粘度公式取對(duì)數(shù)：TBAlg 0lgA E/k)lge(B式中式中:E=180300550KJ/mol0.50 0.75 1.00 1.25(1/T)Lg(dPa.s) 151050鈉鈣硅酸鹽玻璃的鈉鈣硅酸鹽玻璃的lg1/T關(guān)系曲線關(guān)系曲線高溫未發(fā)生締合低溫締合基本完成陰離子基團(tuán)不斷發(fā)生締合，產(chǎn)生大陰離子基團(tuán)，因此不是直線關(guān)系2、自由體積理論、自由體積理論

5、液體內(nèi)分布著不規(guī)則，大小不等的空隙，液體流動(dòng)必液體內(nèi)分布著不規(guī)則，大小不等的空隙，液體流動(dòng)必須打開(kāi)這些須打開(kāi)這些“空洞空洞”，允許液體分子的運(yùn)動(dòng)。，允許液體分子的運(yùn)動(dòng)。自由體積：自由體積：Vf = V - V0 V -溫度溫度 T時(shí)液體的表觀體積。時(shí)液體的表觀體積。 V0 -溫度溫度T0時(shí)液體所具有的最小體積，即液體分子時(shí)液體所具有的最小體積，即液體分子 作緊密堆積時(shí)的體積。作緊密堆積時(shí)的體積。)exp()(exp(000TTBATTaKVBVFT方程方程:WLF方程方程:)(exp(ggTTfbB此式在玻璃此式在玻璃Tg溫度以上適用溫度以上適用在在Tg溫度附近：溫度附近：873、過(guò)剩熵理論、

6、過(guò)剩熵理論 液體是由許多結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，液體的流動(dòng)就是這液體是由許多結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，液體的流動(dòng)就是這些結(jié)構(gòu)單元的再排列過(guò)程。些結(jié)構(gòu)單元的再排列過(guò)程。0TSDCexp 粘度關(guān)系式：粘度關(guān)系式：式中，式中，C -常數(shù)常數(shù) D -勢(shì)壘因子勢(shì)壘因子 S0-位形熵位形熵說(shuō)明：以上三個(gè)理論都是以簡(jiǎn)單流動(dòng)過(guò)程為說(shuō)明：以上三個(gè)理論都是以簡(jiǎn)單流動(dòng)過(guò)程為 基礎(chǔ)來(lái)描述粘度與溫度的關(guān)系，都是基礎(chǔ)來(lái)描述粘度與溫度的關(guān)系，都是 經(jīng)驗(yàn)公式。在實(shí)際生產(chǎn)中仍需要以實(shí)經(jīng)驗(yàn)公式。在實(shí)際生產(chǎn)中仍需要以實(shí) 際測(cè)量值為準(zhǔn)。際測(cè)量值為準(zhǔn)。4.1.3 4.1.3 影響粘度的因素溫度熔體結(jié)構(gòu)化學(xué)組成熱處理時(shí)間1. 粘度與溫度的關(guān)系o晶體與玻璃熔體

7、的粘度隨溫度變化不同o不同組成玻璃熔體隨溫度的變化其粘度變化的速度料性o在不同溫度區(qū)域玻璃粘度的變化高溫未發(fā)生締合低溫締合基本完成陰離子基團(tuán)不斷發(fā)生締合，產(chǎn)生大陰離子基團(tuán)，因此不是直線關(guān)系2. 粘度與熔體的關(guān)系o溫度較高時(shí)溫度較高時(shí)硅氧四面體群有較大的空隙，可以容納小型體群通過(guò)粘度減小高溫時(shí)熔體中的堿金屬和堿土金屬氧化物以離子狀態(tài)自由移動(dòng)，同時(shí)減弱硅氧鍵的作用，因此使粘度減小。n溫度降低時(shí)溫度降低時(shí)空隙變小粘度增大熔體隨溫度降低形成大陰離子團(tuán)粘度增大在低溫時(shí)，某些金屬氧化物可能起到積聚作用，使粘度增大。3. 粘度與組成的關(guān)系o有利于形成大陰離子基團(tuán)的組成使粘度增大（SiO2、Al2O3、ZrO

8、2等）o提供游離氧，破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，則使粘度減小；場(chǎng)強(qiáng)較大的可能產(chǎn)生復(fù)雜的作用：高溫降粘，低溫增粘o 氧硅比 鍵強(qiáng)、離子的極化（R2OSiO2） 結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性（B2O3、P2O5、SiO2） 配位數(shù)（B2O3、Al2O3） 氧硅比較大，意味著大型的氧硅比較大，意味著大型的SO4群分解為小型群分解為小型SO4群，粘滯活化能降群，粘滯活化能降低，粘度減小低，粘度減小 總體來(lái)說(shuō)，鍵強(qiáng)大，則粘度大總體來(lái)說(shuō)，鍵強(qiáng)大，則粘度大但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對(duì)粘度的影響但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對(duì)粘度的影響是不同的是不同的 取決于對(duì)形成緊密、對(duì)稱的三維架取決于對(duì)形成緊密、對(duì)稱的三維架狀結(jié)構(gòu)的作用狀結(jié)

9、構(gòu)的作用 硅酸鹽熔體的粘度首先取決于硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)硅酸鹽熔體的粘度首先取決于硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的聚合程度，即隨的聚合程度，即隨O/SiO/Si比比 而而 。1） O/Si比比 熔體的分子式 O/Si比值 結(jié)構(gòu)式 SiO4連接形式 1400粘度值（Pas） SiO2 21 SiO2 骨架狀 109 Na2O2SiO2 2.51 Si2O52 層狀 28 Na2OSiO2 31 SiO32 鏈狀 1.6 2Na2OSiO2 41 SiO44 島狀 Na 。這是由于。這是由于 R除了能提供除了能提供“游離游離”氧，打斷硅氧網(wǎng)絡(luò)以氧，打斷硅氧網(wǎng)絡(luò)以 外，在網(wǎng)絡(luò)中還對(duì)外，在網(wǎng)絡(luò)中還對(duì)SiOSi鍵有鍵有反極化

10、作用反極化作用，減弱了上，減弱了上 述鍵力。述鍵力。Li離子半徑最小，離子半徑最小，電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，反極化作用最大，電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，反極化作用最大， 故它降低粘度的作用最大。故它降低粘度的作用最大。簡(jiǎn)單堿金屬硅酸鹽系統(tǒng)（簡(jiǎn)單堿金屬硅酸鹽系統(tǒng)（2 2O OSiOSiO2 2）中堿金屬離子）中堿金屬離子R R對(duì)粘度的影響對(duì)粘度的影響 0.1110100100010000010203040KKLiLiNaNa（P）R2O(mol%)2) 當(dāng)熔體中當(dāng)熔體中2O含量較高時(shí)，熔含量較高時(shí)，熔體中硅氧負(fù)離子團(tuán)接近最簡(jiǎn)單體中硅氧負(fù)離子團(tuán)接近最簡(jiǎn)單的的SiO4形式，同時(shí)熔體中有形式，同時(shí)熔體中有大量大量2-存在，存

11、在，SiO4四面體四面體之間主要依靠之間主要依靠R-O鍵力連接，鍵力連接，這時(shí)作用力矩最大的這時(shí)作用力矩最大的Li+就具有就具有較大的粘度。在這種情況下，較大的粘度。在這種情況下，R2O 對(duì)降低粘度影響的次序是對(duì)降低粘度影響的次序是Li+Na+ 。3）二價(jià)金屬氧化物）二價(jià)金屬氧化物 一方面和堿金屬離子一樣，能使硅氧負(fù)離子團(tuán)解一方面和堿金屬離子一樣，能使硅氧負(fù)離子團(tuán)解 聚使粘度降低；聚使粘度降低；另一方面，離子極化對(duì)粘度也有影響，極化率越另一方面，離子極化對(duì)粘度也有影響，極化率越 大，降低粘度的作用越明顯。大，降低粘度的作用越明顯。粘度按粘度按 Pb2+Ba2+Cd2+ Zn2+ Ca2+共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵分子鍵分子鍵一般規(guī)律：一般規(guī)律：熔體的表面張力(10-3 N/m)4.2.3 玻璃的潤(rùn)濕性影響因素o氣