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玻璃表面張力的計算
 發布時間:2015年08月19日 瀏覽:2904

玻璃的表面張力系指玻璃與另一相接觸的分界面上(一般指空氣)在恒溫、恒容下增加一個單位表面所做的功,以J/m2N/m表示。玻璃表面張力的大小取決于結構基團之間作用力的大小,結構基團之間的作用力越小,表面張力越小。不同成分對玻璃表面張力的影響是不同的。

玻璃成分中陽離子極化率大的,能顯著地降低玻璃的表面張力,如堿金屬氧化物中K+的極化率遠比Li+大,因而K+能限制地降低玻璃的表面張力,如堿金屬氧化物中K+的極化率遠比Li+大,因而K+能顯著降低玻璃的表面張力,PbO也是如此,其極化率也比較大,從而可降低玻璃表面張力。Al2O3、CaO、MgO、ZnO則增加玻璃表面張力。至于B2O3加入玻璃中,會穩定地減小玻璃的表面張力,笛采爾認為不論硼在玻璃內部的配位是3還是4,而在玻璃表面上配位數經常是3,形成的【BO3】三角體為層狀結構,平行排列于玻璃表面,這樣形成新的表面,所以表面張力較低。B2O3對表面張力的影響,不像在熱膨脹、折射率

密度等其它性質出現極值的硼反,F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張力趨向盡可能小的特性。加入高表面張力的成分雖然提高玻璃表面張力,但與降低表面張力的成分對比,這些成分在表面上不僅不富集,反而遷離表面,所以對玻璃表面張力增大的影響較輕微。

由于玻璃熔體像其它液體一樣,力圖降低其表面張力,所以賦予玻璃低表面張力的成分就富集玻璃表面,而提高表面張力的成分就遠離玻璃表面,對按成分計算玻璃表面張力時帶來影響,使準確度降低。

當溫度升高,一般硅酸鹽玻璃中結合鍵減弱,導致表面張力降低,但也有某些反,F象,如硼硅玻璃隨溫度的升高,硼氧三角體平行排列于表面的傾向減少,表面張力反而上升;PbO等非對稱組分,隨溫度的升高,極化變化作用減弱,導致表面張力隨溫度的升高而增大,這些情況在按成分計算表面張力時均應加以考慮。加和系數要指明應用時的溫度,有條件時應給出隨溫度的改變表面張力變化的系數,即溫度系數。

表面張力加和系數有笛采爾、里昂(Lyon)、阿本、蒂洛特遜、羅本斯。Rubenstein)、沙舍克等。阿本的方法玻璃成分采用摩爾分數,溫度為1300℃,氧化物種類在20種以上。笛采爾方法采用玻璃成分為質量分數,Na2O含量應小于25%為合適,溫度為900℃,每升高100℃,表面張力應減小4×10-3N/m。Lyon的加和系數適用于w(SiO2)/w(Na2O)=3.5時,計算精確度±1%;當w(SiO2)w(Na2O)等于1時,要將計算的表面張力值增加80N/m,所用玻璃成分為質量分數,具體加和系數見下表。

氧化物

阿本1300

笛采爾900

里昂

蒂洛特遜

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

-

-

-

羅本斯汀對笛采爾和里昂的加和系數進行了修正,得出了在1200℃下玻璃熔體表面張力系數,分別按質量分數和摩爾分數計算,其值列于下表。

氧化物

表面張力和加和系數

按質量分數

按摩爾分數

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:表中括號中數值的誤差比較大,使用時請注意。

沙舍克對平板玻璃在不同溫度下的表面張力提出式(1)、式(2)等經驗式。

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——分別為1200℃和1400℃下玻璃的表面張力;

wN、wK、wM、wCa、wa、wF——Na2O、K2O、MgO、CaO、Al2O3、Fe2O3質量分數,%。

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