Вязкость – важнейшая характеристика, предопределяющая процессы варки и выработки стекла, отжига и закалки.
Вязкость любой среды – газообразной, жидкой, твердой – обусловлена взаимодействием частиц вещества с окружающими частицами. Если на слой жидкости (или расплава) с помощью внутреннего сечения S действует сила F, то слой жидкости начинает двигаться со скоростью V, увлекая соседние слои. Скорость относительного смещения прилегающих слоев будет уменьшаться по мере удаления dV / dx от движущегося слоя. В этом проявляется действие вязкости как силы внутреннего трения. В соответствии с уравнением Ньютона F = η · S (dV / dx) коэффициент вязкости η равен силе, прилагаемой к слою с площадью внутреннего сечения S и вызывающей его перемещение со скоростью относительного сдвига (dV / dx).
Кинетическая вязкость расплава равна отношению коэффициента динамической вязкости к плотности среды, т. е. ν = η/ d. Величина, обратная коэффициенту динамической вязкости, 1/ν характеризует текучесть среды.
Вязкость – сила трения между двумя параллельными слоями жидкости, соприкасающимися по площади S = 1м2 при градиенте скорости dV/dx = 1
Единица вязкости – Па*с (Н*с/м2). Это вязкость динамическая.
Кинематическая вязкость расплава равна отношению динамической вязкости к плотности среды v = η/d η – коэффициент внутреннего трения или вязкость жидкости.
Вязкость стекол сильно изменяется в зависимости от температуры.
На кривой зависимости вязкости жидкости от f (сила противодействующая движению одного слоя жидкости относительно другого) можно отметить 2 точки tg и tf для которых вязкости соответственно равны 1012 и 108 Па*с. При температуре ниже tg (температура стеклования 400-6000С) стекло представляет собой твердое хрупкое тело, а при температуре выше tf имеет свойства типичные для жидкости. В интервале температур tg -tf стекло находится в пластичном состоянии. Формование из стекломассы при применяемых в настоящее время методах осуществляется в интервале вязкостей 102…108 Па*с
Температурная зависимость вязкости. В температурном интервале от 23 до 1500 ºС вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 1019 Па·с, в расплавленном состоянии – 10 Па·с. Температурный ход вязкости стекла показан на рис. 2.1. При низких температурах (до Tg) вязкость меняется незначительно. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 1015–107 Па·с.
Рис. 2.1 Технологическая шкала вязкости
Технологическая шкала вязкости. Температурный ход вязкости служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термообработки.
На шкале вязкости (см. рис. 2.1) выделены интервалы различных технологических процессов: варки и выработки стекла, отжига. Показаны интервалы изменения вязкости для отдельных способов формования стекломассы, положение характеристических температур. Температура размягчения, определяемая по методу Литтлтона (удлинение нити при нагревании под действием собственной массы), соответствует вязкости 106,6 Па·с.
В вязкостно-температурном интервале выработки стекломассы и формования изделий большое значение приобретают такие параметры, как температурный градиент вязкости Δη/Δ t, который характеризует изменение вязкости с температурой и скорость твердения Δη/Δτ стекломассы, определяемую изменением вязкости во времени. Оба параметра определяются скоростью охлаждения стекломассы. Чем быстрее твердеет стекло, тем выше должна быть скорость выработки.
По характеру изменения вязкости в интервале формования различают короткие и длинные стекла (рис. 2.2). Мерой «длины» стекла является температурный интервал, в пределах которого вязкость возрастает от 102 до 108 Па·с. «Длинные» стекла имеют температурный интервал порядка 250-500 ºС, «короткие» ~ 100-150 ºС. Кривая температурного хода вязкости короткого стекла в интервале 102-108 Па·с характеризуется крутым подъемом, а длинного стекла имеет вид пологой кривой. В результате короткое стекло имеет узкий интервал значений температур, в котором может осуществляться формование. Отсюда ясно, что разработать режим формования для длинного стекла значительно проще, чем для короткого. Короткие стекла требуют особенно строгого соблюдения температурно-временных режимов формования. При незначительном переохлаждении стекломассы может так резко увеличиться вязкость, что формование стекломассы станет невозможным.
Интервал отжига ограничен предельными значениями вязкости 1012-1013,5 Па·с. Назначение термической обработки («отжига») состоит в удалении внутренних напряжений, возникающих в процессе неравномерного охлаждения внутренних и внешних слоев стекла. Со стороны высоких температур интервал ограничен высшей температурой отжига (1012 Па·с). Выдержка стеклоизделий при этой температуре позволяет в течение трех минут устранить 95 % внутренних напряжений без деформации изделий. Низшая температура отжига на 50-150 ºС ниже высшей. Выдержка изделий при низшей температуре отжига позволяет в течение трех минут устранить 5 % внутренних напряжений. Значения высшей температуры отжига промышленных стекол лежат в пределах 400-600 ºС. В интервале отжига скорость охлаждения стекла должна быть минимальной. При температурах ниже низшей температуры скорость охлаждения может быть значительно выше, так как вязкость стекол при температурах ниже низшей чрезвычайно высока и возникновение остаточных напряжений невозможно.
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение расплавов и твердых тел отражает действие межмолекулярных сил на частицы поверхностного слоя среды. Действие сил поверхностного натяжения направлено на уменьшение площади поверхности
Поверхностное натяжение это работа, которую надо затратить для увеличения площади поверхности на единицу.
Для увеличения площади поверхности необходимо затратить работу. Мерой поверхностного натяжения σ, Дж/м2 (или Н/м), является работа А, которую необходимо затратить для образования единицы поверхности среды S, σ = A/S..
Поверхностное натяжение промышленных стекол в зависимости от состава может изменяться в пределах от 0,155 до 0,470 Н/м, т. е. оно примерно в 3-4 раза больше поверхностного натяжения воды, водных, растворов, расплавов солей, и сравнимо с поверхностным натяжением металлов (Pb, Bi, Sb).
Поверхностное натяжение мало зависит от температуры. При повышении температуры на 100 ºС поверхностное натяжение щелочно-силикатных стекол снижается на 2-4 % от первоначального. Поверхностное натяжение расплава листового стекла при 1450 ºС составляет 0,29 Н/м.
Значительное влияние на поверхностное натяжение оказывает состав стекла. В ряду щелочных элементов Li–Na–К поверхностное натяжение убывает в направлении от лития к калию. А. А. Аппен классифицирует оксиды, входящие в силикатные расплавы по их влиянию на поверхностное натяжение на 3 группы:
- поверхностно неактивные
- промежуточного действия
- поверхностно активные
Cоединения хрома, молибдена, вольфрама, мышьяка, сурьмы, тория, ванадия являются поверхностно-активными. Введение этих компонентов даже в небольших количествах вызывает резкое уменьшение поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение одно из важнейших свойств в технологиях стекла и эмалирования.
Высокое значение поверхностного натяжения в сочетании со своеобразным ходом температурной кривой вязкости обусловливает применение таких способов формования, как непрерывное вытягивание листов стекла, выдувание полых изделий, которые совершенно не применимы ни к какому другому материалу, которые сопровождаются образованием идеально гладкой поверхности.
Влияние поверхностного натяжения может быть и отрицательным – округление острых ребер изделий при прессовании, сужение ленты вытягивания стекла.