影響座滴法測量玻璃熔體表面張力準確性因素分析

引言表面張力是物質重要的物理參數(shù)之一，是多相（固、液、氣）系統(tǒng)重要的界面性質。玻璃熔體表面張力在玻璃制品生產過程中有重要意義，特別是在玻璃澄清、均化、成型（形）、加工等過程中，均發(fā)揮著顯著作用。表面張力的測試方法主要包括動態(tài)法和靜態(tài)法。動態(tài)法是通過測量液體（熔體）決定某一過程特征的數(shù)值來計算表面張力，主要包括毛細管波法和震蕩射流法，通常在表面張力隨時間變化較快時用動態(tài)法測量，如震蕩射流法測定的時間變化可以小到1ms左右。目前，動態(tài)測量方法因方法尚不完善導致測量誤差大，因而實際應用很少。在實際生產中，主要使用靜態(tài)法來測量液體（熔體）的表面張力，靜態(tài)法是根據(jù)測定液體（熔體）某一狀態(tài)下的特征數(shù)值來計算表面張力的，主要包括電磁懸浮法、滴外形法、滴重法、毛細管上升法、最大泡壓法、拉筒法、旋滴法等。但大多靜態(tài)測量方法只適用于常溫或者200℃以下液體（熔體）的表面張力測量，能夠測量高溫液體（熔體）的主要有最大泡壓法、電磁懸浮法、座滴法和懸滴法。但由于玻璃熔體高溫且黏度大的特點，導致氣泡難控制，并且高溫下的玻璃熔體呈現(xiàn)紅熱狀態(tài)，難以觀察氣泡形態(tài)，故最大泡壓法不適用于玻璃熔體表面張力的測量。由于玻璃的高溫熔體不具有磁性能，電性能也不佳，故電磁懸浮法不能用來測量玻璃熔體的表面張力。座滴法和懸滴法均適用于玻璃熔體表面張力的測量，但懸滴法需已知玻璃熔體高溫密度，且對裝置要求較高，容易造成較大測量誤差，故目前座滴法是測量玻璃熔體表面張力的常用方法。座滴法測量玻璃熔體表面張力（1）測試原理座滴法是基于熔體（液體）在水平托板表面形成穩(wěn)定橢球液滴的形狀參數(shù)測量表面張力的方法?；谧畏y量玻璃熔體表面張力，玻璃熔體在水平托板上受重力和表面張力共同作用形成旋轉軸對稱橢球（圖1），橢球表面任一點的壓力差與表面張力之間的數(shù)學關系見式（1）：

圖1座滴形狀解析圖（2）測量裝置座滴法表面張力測量裝置結構如圖2所示，由測量軟件、攝像系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、承托板、樣品、托架、熱電偶、光源、氣體系統(tǒng)構成。1.測量軟件；2.攝像系統(tǒng)；3.加熱系統(tǒng)；4.承托板；5.樣品；6.托架；7.熱電偶；8.光源；9.氣體系統(tǒng)圖2座滴法表面張力測量裝置示意圖（3）測試步驟開啟與試驗裝置相關電源，設置試驗溫度，開始升溫，達到試驗溫度后，打開氣體系統(tǒng)，通入保護氣體；用電子天平稱量試樣質量，記為m，單位為g；將托架快速移出加熱爐管，將承托板放置在托架上，將試樣放置于承托板中央，然后將托架移入加熱爐，使其復位（注意：此過程防止燙傷）；在試驗溫度下將試樣加熱30min，使試樣轉變成穩(wěn)定的橢球狀液滴（圖1），調整相機使橢球狀液滴處于視像中心，拍攝獲取橢球狀液滴圖像；計算系統(tǒng)對橢球狀液滴圖像進行分析，獲得試驗溫度下的試樣體積V，單位為cm3，然后根據(jù)試樣質量m，計算得到玻璃熔體密度ρ，單位為g/cm3；在計算系統(tǒng)中輸入玻璃熔體密度ρ，通過表面張力計算軟件即可獲得玻璃熔體表面張力值σ。影響準確性因素分析（1）玻璃試樣本身的影響玻璃試樣要保證化學組成的均勻性，且內部不能包含缺陷（氣泡、結石和條紋等）。如有氣泡會導致玻璃熔體體積失真。氣泡中的氣體受熱會進一步膨脹，使玻璃液滴體積增大，導致玻璃液滴在測試溫度下的密度偏低，最終影響玻璃熔體表面張力的測試結果。玻璃條紋和結石等缺陷也是玻璃成分不均的表現(xiàn)，在受熱條件下影響玻璃熔體液滴形態(tài)，導致無法獲得中心旋轉軸對稱的玻璃液滴，因此應選擇無內在質量缺陷的玻璃。（2）承托板材質和表面質量的影響承托板在測試過程中與玻璃熔體產生直接接觸，承托板材質首先要滿足測試溫度的要求，符合玻璃熔體測試溫度要求并易獲得的材質有鉑銠合金、石英、剛玉和石墨。材料表面與玻璃熔體產生潤濕與非潤濕問題，潤濕能力由相鄰兩相的自由表面能決定，用表面張力的大小來表示。當固體、液體和氣體三者之間相互作用力達到平衡時，就必須服從式（4）：

在相同溫度條件下探究石英材質、剛玉材質和石墨材質對玻璃熔體潤濕的影響，結果如圖3所示。玻璃熔體與石英薄片和剛玉薄片潤濕鋪展，而石墨薄片不潤濕鋪展，故石墨可作為測量玻璃熔體表面張力的承托板材料。此外石墨材料也要有足夠的光滑度，表面質量差的石墨承托板會對玻璃熔體成球形狀產生影響。就工業(yè)生產的高純石墨材料產品而言，要選取符合GB/T30071—2013要求的表面平整度小于0.04mm，粗糙度小于0.02mm的高純石墨材料。

圖3不同材質承托板對玻璃熔體潤濕的影響石墨在高溫下易氧化，如圖4所示，氧化會破壞高純石墨承托板的表面平整度，影響玻璃熔體成球形狀，進而影響玻璃液滴體積測量，最終導致表面張力測量誤差。為了避免高純石墨承托板氧化以及玻璃試樣在高溫熔融狀態(tài)下氧化的問題，須在試樣放進加熱爐前通入保護氣，因為非極性分子對玻璃熔體表面張力的影響最小，非極性分子有氮氣、氦氣、氫氣等，而氮氣廉價且易得，選用氮氣作保護氣。考慮到爐管直徑與體積，轉子流量計設置為1～3L/min，大致能夠滿足每分鐘3～10倍的氣體置換，使爐內形成正壓，氧氣不會滲入爐內，防止石墨承托板氧化，保護氣體充滿整個加熱爐的同時不會氣流過大，將試樣吹落。圖4石墨承托板氧化示意圖（3）裝置調節(jié)系統(tǒng)的影響承托板與相機水平線平行性的影響。承托板與相機水平線不平行，表現(xiàn)為測量的玻璃液滴高度與液滴實際高度有誤差，誤差較大時影響玻璃液滴體積的測量，導致計算的玻璃液滴密度偏差較大，進而直接影響表面張力的測量結果。相機軸線與剛玉托架軸線是否同心的影響。相機軸線相較剛玉托架的軸線向左右兩邊有偏移時，玻璃液滴的投影雖然仍在相機視野中心，但是實際上玻璃液滴并沒有在剛玉托架的中心位置。偏心距離小于2mm時，相機視野中看不出有變化；偏心距離超過2mm時，相機視野的輪廓發(fā)生扭曲，可以肉眼辨別出來。當偏心距離在2mm以內時，測得的表面張力較真實值偏小，偏差范圍在1%以內。液滴投影是否位于相機視野中心的影響。相機軸線與剛玉托架的軸線基本同心，但是樣品在放置或者成球過程中位置不在承托板的中心位置，偏移位置的不同對測試結果影響也不同。當玻璃液滴左右偏移，偏移位置不大時，對測量結果影響較??；當液滴投影偏移到視野邊緣時，對測量結果影響較大，此時可以通過調節(jié)相機的左右位置，使液滴投影回到視野中心，測量結果會偏?。蝗绻恢闷钸^大，可以打開加熱爐爐膛，用鑷子調節(jié)承托板的位置，使玻璃液滴投影處于視野中心再測試（此過程注意防止燙傷）。當玻璃液滴位置向承托板前方偏移時，測量的玻璃液滴體積偏大，密度偏小，導致表面張力測量結果偏小，一般偏小1%以內。當玻璃液滴位置向承托板后方偏移時，測量液滴體積偏小，密度偏大，表面張力測量結果偏大，一般偏大1%以內。結論為了保證玻璃熔體表面張力測試結果的準確性，需要滿足以下要求：（1）玻璃試樣應為無內在質量缺陷（氣泡、結石和條紋等）、化學組成均勻、具有新鮮表面且無表面沾污