玻璃的表面张力系指玻璃与另一相接触的分界面上(一般指空气)在恒温、恒容下增加一个单位表面所做的功,以J/m2或N/m表示。玻璃表面张力的大小取决于结构基团之间作用力的大小,结构基团之间的作用力越小,表面张力越小。不同成分对玻璃表面张力的影响是不同的。
玻璃成分中阳离子极化率大的,能显著地降低玻璃的表面张力,如碱金属氧化物中K+的极化率远比Li+大,因而K+能限制地降低玻璃的表面张力,如碱金属氧化物中K+的极化率远比Li+大,因而K+能显著降低玻璃的表面张力,PbO也是如此,其极化率也比较大,从而可降低玻璃表面张力。Al2O3、CaO、MgO、ZnO则增加玻璃表面张力。至于B2O3加入玻璃中,会稳定地减小玻璃的表面张力,笛采尔认为不论硼在玻璃内部的配位是3还是4,而在玻璃表面上配位数经常是3,形成的【BO3】三角体为层状结构,平行排列于玻璃表面,这样形成新的表面,所以表面张力较低。B2O3对表面张力的影响,不像在热膨胀、折射率
密度等其它性质出现极值的硼反常现象。
V2O3、WO3、MoO3、Cr2O3等表面活性成分,即使加入很少,也能富集到表面面具有使玻璃的表面张力趋向尽可能小的特性。加入高表面张力的成分虽然提高玻璃表面张力,但与降低表面张力的成分对比,这些成分在表面上不仅不富集,反而迁离表面,所以对玻璃表面张力增大的影响较轻微。
由于玻璃熔体像其它液体一样,力图降低其表面张力,所以赋予玻璃低表面张力的成分就富集玻璃表面,而提高表面张力的成分就远离玻璃表面,对按成分计算玻璃表面张力时带来影响,使准确度降低。
当温度升高,一般硅酸盐玻璃中结合键减弱,导致表面张力降低,但也有某些反常现象,如硼硅玻璃随温度的升高,硼氧三角体平行排列于表面的倾向减少,表面张力反而上升;PbO等非对称组分,随温度的升高,极化变化作用减弱,导致表面张力随温度的升高而增大,这些情况在按成分计算表面张力时均应加以考虑。加和系数要指明应用时的温度,有条件时应给出随温度的改变表面张力变化的系数,即温度系数。
表面张力加和系数有笛采尔、里昂(Lyon)、阿本、蒂洛特逊、罗本斯汀(Rubenstein)、沙舍克等。阿本的方法玻璃成分采用摩尔分数,温度为1300℃,氧化物种类在20种以上。笛采尔方法采用玻璃成分为质量分数,Na2O含量应小于25%为合适,温度为900℃,每升高100℃,表面张力应减小4×10-3N/m。Lyon的加和系数适用于w(SiO2)/w(Na2O)=3.5时,计算精确度±1%;当w(SiO2):w(Na2O)等于1时,要将计算的表面张力值增加80N/m,所用玻璃成分为质量分数,具体加和系数见下表。
氧化物 |
阿本1300℃ |
笛采尔900℃ |
里昂 |
蒂洛特逊 |
|
1200℃ |
1400℃ |
||||
SiO2 |
290 |
340 |
325 |
324 |
260 |
TiO2 |
250 |
300 |
- |
- |
- |
Cr2O3 |
-500 |
-590 |
- |
- |
- |
ZrO2 |
350 |
410 |
- |
- |
- |
B2O3 |
- |
80 |
23 |
-23 |
90 |
Al2O3 |
580 |
620 |
598 |
585 |
- |
Fe2O3 |
450 |
450 |
450 |
440 |
- |
MgO |
520 |
660 |
577 |
549 |
- |
CaO |
510 |
480 |
492 |
492 |
640 |
BaO |
470 |
370 |
370 |
380 |
400 |
ZnO |
450 |
470 |
- |
- |
470 |
PbO |
- |
120 |
- |
- |
- |
MnO |
390 |
450 |
- |
- |
- |
NiO |
400 |
450 |
- |
- |
- |
CoO |
430 |
450 |
- |
- |
- |
Li2O |
450 |
460 |
- |
- |
- |
Na2O |
295 |
150 |
127 |
112 |
320 |
K2O |
0 |
10 |
0.0 |
-75 |
- |
CaF2 |
420 |
370 |
- |
- |
- |
V2O5 |
-500 |
-610 |
- |
- |
- |
罗本斯汀对笛采尔和里昂的加和系数进行了修正,得出了在1200℃下玻璃熔体表面张力系数,分别按质量分数和摩尔分数计算,其值列于下表。
氧化物 |
表面张力和加和系数 |
|
按质量分数 |
按摩尔分数 |
|
SiO2 |
325 |
320 |
GeO2 |
260 |
450 |
ZrO2 |
410 |
650 |
GeO2 |
480 |
1350 |
B2O3 |
23 |
26 |
Al2O3 |
598 |
1000 |
BeO |
1100 |
450 |
MgO |
57 |
385 |
MoO3 |
400 |
950 |
P2O5 |
(150) |
(350) |
V2O5 |
(250) |
(750) |
TiO2 |
300 |
400 |
SnO2 |
50 |
100 |
ThO2 |
400 |
1700 |
Fe2O3 |
500 |
1300 |
CaO |
492 |
442 |
SrO |
380 |
650 |
BaO |
350 |
880 |
ZnO |
470 |
620 |
PbO |
120 |
270 |
CoO |
450 |
550 |
Na2O |
127 |
129 |
K2O |
0.0 |
0.0 |
Bi2O3 |
-100 |
-750 |
Nb2O5 |
500 |
2600 |
Sb2O3 |
150 |
700 |
CuO |
450 |
600 |
CdO |
300 |
600 |
NiO |
600 |
700 |
Li2O |
(300) |
(150) |
注:表中括号中数值的误差比较大,使用时请注意。
沙舍克对平板玻璃在不同温度下的表面张力提出式(1)、式(2)等经验式。
σ1200=489.2-12.9wN-33.0wK+2.75wM+2.33wCa+1.4wa+3.3wF——(1)
σ1400=371.0-6.0wN-20.0wK+4.0wM+1.33wCa+1.6wa+38.89wF——(2)
式中:σ1200、σ1400——分别为1200℃和1400℃下玻璃的表面张力;
wN、wK、wM、wCa、wa、wF——Na2O、K2O、MgO、CaO、Al2O3、Fe2O3质量分数,%。
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