第4章----玻璃的粘度-表面性质分析.ppt

第4章玻璃的粘度和表面性质,粘度表面张力润湿性表面离子交换,玻璃体的性质,粘度,表面张力,玻璃体性质,粘度的含义、理论解释粘度与温度的关系粘度与熔体结构的关系粘度与组成的关系粘度对玻璃生产的影响,表面张力的含义表面张力与温度的关系表面张力与组成的关系表面张力对玻璃生产的影响,4.1玻璃的粘度,定义粘度是指面积为S的两平行液面，以一定的速度梯度dV/dx移动时所需克服的内摩擦阻力f。单位：Pas或Ns/m2。f=S,概念的引出：把玻璃熔体看作“牛顿型流体”，即在剪切应力下产生的剪切速度dv/dx与剪应力成正比：,4.1.1粘度在玻璃生产中的应用,玻璃的熔制（原料的溶解、气泡的排除、各组分的扩散均化）玻璃的成形（不同的成型方法与成形速度要求不同的粘度和料性）玻璃的退火（粘滞流动、弹性松弛，对制品内应力的消除速度有重要的影响）玻璃的钢化、微晶化、分相、显色等过程中温度制度的制定，都必须考虑粘度的影响。,玻璃生产中的粘度点,1）熔化温度范围：50500泊,2）工作温度范围：103107泊,3）退火温度范围：10121013泊,粘度参考点,1013.6Pas，退火下限温度,1012Pas，退火上限温度,1012.4Pas，Tg,10101011Pas,106107Pas，操作温度下限,102103Pas，操作温度上限,10Pas,4.1.2粘度的理论解释,1、绝对速度理论,2、自由体积理论,3、过剩熵理论,1、绝对速度理论,流动度,粘度,式中：E质点移动的活化能0与熔体有关的常数k波尔兹曼常数T绝对温度,将粘度公式取对数：,式中:,钠钙硅酸盐玻璃的lg1/T关系曲线,高温未发生缔合,低温缔合基本完成,阴离子基团不断发生缔合，产生大阴离子基团，因此不是直线关系,2、自由体积理论,液体内分布着不规则，大小不等的空隙，液体流动必须打开这些“空洞”，允许液体分子的运动。,自由体积：Vf=V-V0,V-温度T时液体的表观体积。V0-温度T0时液体所具有的最小体积，即液体分子作紧密堆积时的体积。,VFT方程:,WLF方程:,此式在玻璃Tg温度以上适用,在Tg温度附近：,87,3、过剩熵理论,液体是由许多结构单元构成，液体的流动就是这些结构单元的再排列过程。,粘度关系式：,式中，C-常数D-势垒因子S0-位形熵,说明：以上三个理论都是以简单流动过程为基础来描述粘度与温度的关系，都是经验公式。在实际生产中仍需要以实际测量值为准。,4.1.3影响粘度的因素,温度熔体结构化学组成热处理时间,1.粘度与温度的关系,晶体与玻璃熔体的粘度随温度变化不同不同组成玻璃熔体随温度的变化其粘度变化的速度料性在不同温度区域玻璃粘度的变化,高温未发生缔合,低温缔合基本完成,阴离子基团不断发生缔合，产生大阴离子基团，因此不是直线关系,2.粘度与熔体的关系,温度较高时硅氧四面体群有较大的空隙，可以容纳小型体群通过粘度减小高温时熔体中的碱金属和碱土金属氧化物以离子状态自由移动，同时减弱硅氧键的作用，因此使粘度减小。温度降低时空隙变小粘度增大熔体随温度降低形成大阴离子团粘度增大在低温时，某些金属氧化物可能起到积聚作用，使粘度增大。,3.粘度与组成的关系,有利于形成大阴离子基团的组成使粘度增大（SiO2、Al2O3、ZrO2等）提供游离氧，破坏网络结构的，则使粘度减小；场强较大的可能产生复杂的作用：高温降粘，低温增粘氧硅比键强、离子的极化（R2OSiO2）结构的对称性（B2O3、P2O5、SiO2）配位数（B2O3、Al2O3）,氧硅比较大，意味着大型的SO4群分解为小型SO4群，粘滞活化能降低，粘度减小,总体来说，键强大，则粘度大但网络外体在氧硅比不同的情况下，对粘度的影响是不同的,取决于对形成紧密、对称的三维架状结构的作用,硅酸盐熔体的粘度首先取决于硅氧四面体网络的聚合程度，即随O/Si比而。,1）O/Si比,2）碱金属氧化物,通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O等）能降低熔体粘度。,这些正离子由于电荷少、半径大、和O2的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。,原因,Na2OSi2O系统中Na2O含量对粘滞活化能u的影响,=Li2O-SiO21400；K2O-SiO21600；=BaO-SiO21700,简单碱金属硅酸盐系统（2OSiO2）中碱金属离子R对粘度的影响,1)当2O含量较低时（O/Si较低），熔体中硅氧负离子团较大，对粘度起主要作用的是四面体SiO4间的键力。这时，加入的正离子的半径越小，降低粘度的作用越大，其次序是LiNa。这是由于R除了能提供“游离”氧，打断硅氧网络以外，在网络中还对SiOSi键有反极化作用，减弱了上述键力。Li离子半径最小，电场强度最强，反极化作用最大，故它降低粘度的作用最大。,简单碱金属硅酸盐系统（2OSiO2）中碱金属离子R对粘度的影响,2)当熔体中2O含量较高时，熔体中硅氧负离子团接近最简单的SiO4形式，同时熔体中有大量2-存在，SiO4四面体之间主要依靠R-O键力连接，这时作用力矩最大的Li+就具有较大的粘度。在这种情况下，R2O对降低粘度影响的次序是Li+Na+。,3）二价金属氧化物,一方面和碱金属离子一样，能使硅氧负离子团解聚使粘度降低；,另一方面，离子极化对粘度也有影响，极化率越大，降低粘度的作用越明显。,粘度按Pb2+Ba2+Cd2+Zn2+离子键分子键,一般规律：,熔体的表面张力(10-3N/m),4.2.3玻璃的润湿性,影响因素气体介质温度玻璃的组成,4.3玻璃的表面性质,玻璃的表面组成和表面结构（