Определение вязкости стекла по методу растяжения

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 7

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

стеклянного образца

Цель работы: ознакомление с методами определения вязкости; определение вязкости стеклянного образца по методу растяжения.

Основные понятия

Вязкость представляет собой свойство, характеризующее внутрен­нее трение жидкости. Если мысленно выделить в жидкости какой-либо слой и приложить к нему определенную силу, заставляющую этот слой двигаться, то вследствие трения в движение придут и слои, прилегающие к первому слою, причем скорость их движения будет постепенно умень­шаться но мере удаления от слоя, которому сообщено движение (т.е. бу­дет иметь место определенный градиент скорости). Связь между силой, приводящей в движение слои, и скоростями их движения будет выражать­ся для неупругой жидкости уравнением Ньютона:

где F – приложенная сила; S – площадь соприкосновения слоев жидкости; V ₁ – скорость движения первого слоя; V₂ – скорость движения второго слоя; х – расстояние между слоями; – не зависящий от градиента скоро­сти коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом вязкости.

Коэффициент вязкости имеет размерность Па^.с. Коэффициент вязкости часто называют динамической вязкостью. Величина, обратная вязкости 1/ называется текучестью. Иногда бывает удобно использовать величину, равную от­ношению вязкости жидкости к ее плотности . Эта величина называется кинематической вязкостью и выражается м²/с.

При изготовлении большинства силикатных продуктов в процессе их обжига происходит частичное или даже полное плавление исходных материалов. Образовавшаяся при этом жидкая фаза оказывает большое влияние на технологический процесс, а также и на свойства готового про­дукта.

Изучение вязкости силикатных расплавов важно для процессов варки, осветления и выработки стекла, обжига огнеупоров и керамики, разрушения огнеупоров под действием шлаков, в явлениях диффузии, при взаимодействии кристаллических и жидких фаз. Вязкость шлаков имеет большое значение в работе доменных и других печей.

Силикатные расплавы, как правило, имеют высокую вязкость. Это объясняется тем, что в них присутствуют крупные полимерные кремне­кислородные анионы, крупные ассоциированные частицы и цепочки раз­личного размера и формы, которые мешают течению жидкости под дей­ствием напряжений сдвига.

Вязкость силикатных расплавов зависит от многих факторов. Од­ним из них является температура.

С повышением температуры вязкость силикатных расплавов пони­жается вследствие броуновского движения, ослабления и разрыва связей между структурными группами и распада ассоциаций, а при охлаждении - возрастает. Вязкость является сложной функцией от температуры, и универсальной формулы зависимости вязкости от температуры не суще­ствует.

Предложен ряд эмпирических зависимостей вязкости от температу­ры, которые, как правило, применимы только для определенного огра­ниченного интервала температуры. Так, например, изменение вязкости в зависимости от температуры Т для силикатных расплавов может быть выражено уравнением Френкеля:

где А и В – постоянные, зависящие от химической природы расплава. Это уравнение применимо для жидкостей, в которых ассоциация полностью отсутствует, либо степень ее в рассматриваемом интервале температур остается неизменной. Для силикатных расплавов степень ассоциации с изменением температуры меняется, поэтому указанное уравнение приме­нимо только в области очень высоких (когда процессы ассоциации малы) или очень низких (когда процессы ассоциации уже завершены и ее сте­пень остается неизменной) температур.

К.С. Евстропьев предложил упрощенную формулу температурной зависимости вязкости:

где А и В – постоянные, зависящие от химической природы расплава.

Кривые зависимости вязкости от температуры для силикатных расплавов имеют различный вид. Рассмотрим кривую зависимости вязкости от температуры для обычных силикатных стекол (рис. 10.1).

Температура Т_g (для промышленных стекол ~500 °С) является темпера­турной границей хрупкого состояния, ей отвечает вязкость примерно 10¹³ Па^.с. Температура T_f представляет, собой температуру размягчения стекла (для промышленных стекол 650...700 °С) при этом вязкость падает до 10⁹ Па^.с и стекло приобретает способность вытягиваться в нити и спекаться. Интервал температур T_g - T_f называется интервалом размягчения или ано­мальным интервалом, ввиду скачкообразного изменения ряда свойств стекла в этом температурном интервале. Температуру T_s, можно назвать условной температурой плавления стекла (около 1400 ^оС для обычных промышленных стекол) и верхним пределом их способности кристалли­зоваться. Вязкость, соответствующая этой температуре, равна 10¹-10² Па^.с. Выработка стекла осуществляется в интервале вязкости 10²-10⁴ Па^.с, изготовление изделий – 10⁵-10⁶ Па^.с.

Вязкость силикатных расплавов также во многом зависит от их со­става. Зависимость эта сложная и правилу аддитивности не подчиняется. Вязкость силикатных расплавов зависит от состава самого расплава, вида вводимых добавок, их количества и ряда других факторов.

Достаточно полно изучено влияние таких оксидов, как SiО₂, А1₂О₃, SrO и ряда других, введение которых повышает вязкость силикатных сте­кол при всех температурах. Введение таких оксидов, как Na₂О, К₂О, Li₂O, РbО, ВаО понижает вязкость расплавов при всех температурах.

Борный ангидрид В₂0₃ и оксид кальция СаО играют двоякую роль. При высоких температурах В₂O₃ значительно понижает вязкость стекол. При низких температурах введение его в количестве до 15% понижает вязкость стекла, а при дальнейшем увеличении содержания В₂О₃, проис­ходит повышение вязкости.

СаО при низких температурах повышает вязкость стекла, а при вы­соких температурах добавка 8-10% СаО приводит к снижению вязкости, при больших содержаниях СаО в шихте вязкость расплава возрастает.

Влияние на вязкость катионов различных металлов можно распо­ложить по следующей схеме:

Li > Na > K > Pb,

т.е. в ряду одновалентных катионов наиболее сильно понижает вязкость стекла литий Li⁺, у которого ионный радиус является наименьшим.

У двухвалентных катионов, наоборот, больше всего вязкость по­нижает свинец, а их действие можно представить следующим образом:

Pb > Ba > Ca > Mg.

Для определения вязкости силикатных расплавов существует много методов. Наиболее распространенными являются метод падающего шара, метод вращающегося цилиндра и метод растяжения стеклянного образца, которые используются для различных значений вязкости.