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玻璃表面张力的计算
 发布时间:2015年08月19日 浏览:8294

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/m2N/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。Al2O3CaOMgOZnO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。

V2O3WO3MoO3Cr2O3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/mLyon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;

wNwKwMwCawawF——Na2OK2OMgOCaOAl2O3Fe2O3质量分数,%

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