Поверхностное натяжение стекла

Поверхностное натяжение стекла

Поверхностное натяжение — характеристика сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости; она равна отношению силы, действующей в плоскости, касательной к поверхности жидкости (в сторону ее сокращения), на элемент контура, ограничивающего эту поверхность, к длине этого элемента, н/м. Поверхностное натяжение зависит от химической природы жидкости и температуры, уменьшаясь с повышением температуры.

Поверхностное натяжение расплавленных стекол при температуре (1000…1400) °С — (0.22…0.38) Н/м. При изменении температуры на 100 °C поверхностное натяжение изменяется на 1…2%.Действием поверхностных сил обусловлены многие явления и процессы при производстве и обработке стекла. Так, при образовании пузырей в стекломассе величина их зависит от величины поверхностного натяжения на границе с газовой фазой пузыря. Поверхностными явлениями обусловлены условия появления варочной пены, ее устойчивость.

Значительна роль поверхностного натяжения во всех видах формования, где оно играет роль одного из факторов формования.

Рис. 1. Форма стекловидных включений в зависимости от соотношения поверхностного натяжения включений и стекломассы. Поверхностное натяжение включений больше (а) и меньше (б) поверхностного натяжения стекломассы

От поверхностного натяжения зависит образование, исчезновение и форма неоднородностей в стекле. Образующиеся в стекле неоднородности (включения) приобретают сферическую или цилиндрическую форму, когда их поверхностное натяжение превышает поверхностное натяжение основного стекла (рис. 1, а). Если поверхностное натяжение стекловидных включений меньше поверхностного натяжения окружающего стекла, то они приобретают форму растекания, охватывающую наибольшую поверхность (рис. 1, б).

Поверхностным натяжением определяются такие процессы обработки, как термическое полирование поверхности, горячая отрезка колпачка и оплавление края изделий. Снижение поверхностного натяжения на 25…30% и; более достигается введением в стекло поверхностно-активных компонентов. к ним относятся As₂O₃, V₂О₅, WO₃, МоO₃, CrO₃(Cr₂O₃), SO₃. Способностью снижать поверхностное натяжение обладают также PbO, K₂О, B₂O₃, Р₂О₅.

Известно, что каждая молекула жидкости, находящаяся в поверхностном слое, испытывает сильное притяжение, направленное внутрь жидкой фазы, перпендикулярно ее поверхности. Такие молекулы обладают по сравнению с другими молекулами некоторым избытком энергии, который обусловливает поверхностное натяжение, наблюдаемое у жидкостей. Поверхностное натяжение, обозначаемое обычно буквой а, определяется работой, которую необходимо затратить на образование единицы новой поверхности в плоскости раздела двух фаз при постоянной температуре, и измеряется в эрг/см² или дин/см.

Стекломасса обычных промышленных составов обладает значительным поверхностным натяжением, величина которого в 3—4 раза превосходит поверхностное натяжение воды и приближается к значению этого свойства для некоторых металлов в расплавленном состоянии таких, как свинец, висмут и сурьма.

Силы поверхностного натяжения стекломассы в отдельных случаях существенно влияют на процесс изготовления стеклоизделий. Так, при вытягивании листового стекла на машинах ВВС под действием сил поверхностного натяжения лента стекла стремится сузить свою ширину. Для сохранения постоянства ширины и толщины листа стекла, как известно, применяют целый ряд мер (вытягивание ленты стекла при помощи лодочки, интенсивное и равномерное ее охлаждение, использование бортоформующих роликов и пр.).

Острая режущая кромка, с гразующаяся обычно у целого ряда выдувных изделий из стекла в процессе их производства, устраняется, как известно, путем последующей отопки края изделий, т. е. в результате тепловой обработки. Острый край изделия оплавляется и в результате воздействия сил поверхностного натяжения принимает округлую блестящую огненно-полированную поверхность. Это особенно четко проявляется при вытягивании стеклянных нитей, имеющих в поперечном сечении правильный круг.

Осветление стекломассы в процессе ее варки в известной мере также зависит от величины ее поверхностного натяжения. Принято считать, что осветление стекломассы протекает тем интенсивнее, чем меньше это натяжение. Практикой установлено, что величина поверхностного натяжения стекломассы обычных промышленных составов при изменении температуры в интервале 1000—1400 °С сравнительно мало изменяется. На величину о в значительно большей мере влияют методы его определения и известное несовершенство этих методов.

М.В. Охотин и О. К. Ботвинкин при изучении серии стекол в системе Na₂О—СаО—SiО₂ в пределах температур 1000—1400 °С установили, что величина поверхностного натяжения стекол этой системы составляет 260—285 дин/см. По данным других исследователей, стекла аналогичных составов характеризуются более широкими пределами, а именно 250—350 дин/см.

По данным Пармели, Бергера и Виллиамсона, К₂О, Na₂О, TiО₂, В₂О₃, Р₂0₅ и V₂0₅ понижают поверхностное натяжение стекломассы, a MgO, СаО, ВаО, ZnO, СоО, NiO, Fe₂О₃, А1₂О₃, MnО₂ и SiOr, способствуют повышению ее поверхностного натяжения.

В настоящее время используют ряд методов измерения поверхностного натяжения жидкостей и расплавов, среди которых следует выделить статические и динамические. Статические методы позволяют измерить поверхностное натяжение жидкостей и расплавов при условии практически неподвижных поверхностей, образованных за некоторое время до начала измерения. К статической группе принадлежат следующие методы: капиллярного поднятия жидкости; максимального давления пузырьков; веса капли; «лежащей» (неподвижной) капли; втягивания в стекломассу полого цилиндра; сокращения или деформации стеклянной нити. К динамической группе принадлежит метод отрыва кольца от поверхности расплава при помощи торзионных весов, а также метод висячей капли и др. Динамические методы дают менее точные результаты, однако они менее продолжительны.

К числу наиболее распространенных статических методов, применяемых для определения поверхностного натяжения стекломассы, относятся: метод, основанный на втягивании в стекломассу полого платинового цилиндра, метод измерения о по весу свободно падающих капель и метод, основанный на сокращении (деформации) стеклянной нити, применяемый при температурах, соответствующих высоковязкому пластическому состоянию стекломассы.

Поверхностное натяжение стекломассы играет важную роль в технологии стекла. Этим свойством определяется удаление пузырей при осветлении стекломассы, поскольку размеры этих пузырей зависят от поверхностного натяжения стекломассы.

Рабе также отмечают, что поверхностное натяжение стекломассы в атмосфере водяного пара снижается из-за скопления НгО на поверхности.

В пределах температур 900−1300 С у наиболее распространенных составов силикатных стекол коэффициент поверхностного натяжения стекломассы составляет 200−350 дн / см; при охлаждении стекломассы и переходе ее в температурную область хрупкого состояния коэффициент поверхностного натяжения стекол резко возрастает до 1200 дн / см и более.

По способу А. А. Аппена могут быть рассчитаны плотность, модуль упругости, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная, поверхностное натяжение стекломассы и оптические свойства стекла. Особенностью этого способа является расчет по составу стекла, выраженному в молярных долях.

Основными технологическими факторами, влияющими на формирование пористой структуры материала, являются следующие: вязкость массы в момент выделения газа; поверхностное натяжение стекломассы; интервал размягчения стекломассы; гранулометрический состав стекольного порошка; гранулометрический состав газообразователя; количество и вид газообразователя; режим обжига и отжига пеностекла.

Для экспериментального определения поверхностного натяжения стекломассы используют различные методы, причем различия в методах определения сильно влияют на полученные результаты, которые в зависимости от применяемой методики могут различаться на десятки процентов. Эту особенность данного свойства стекла необходимо иметь в виду и при определении величины поверхностного натяжения стекломассы расчетным путем и оценке точности полученных расчетом результатов.

Так, при варке стекла поверхностное натяжение определяет удаление пузырей из стекломассы — осветление. При образовании пузырей в стекломассе величина их зависит от величины поверхностного натяжения стекломассы на границе с газовой фазой пузыря. Точно так же при образовании в стекломассе неоднородностей, состав которых отличается от состава основной стекломассы, форма выделившейся неоднородности будет зависеть от величины поверхностного натяжения на границе двух фаз: основной стекломассы и неоднородности. Поверхностное натяжение стекломассы влияет также на адгезию стекломассы к поверхностям металлических форм, оказывая, таким образом, влияние на формование стеклянных изделий. Большее значение поверхностное натяжение имеет в технологии эмалирования, а также при пайке стекла с металлами и другими материалами.

Отсутствие в расплавах силикатов нейтральных замкнутых группировок атомов (подобных молекулам) подтверждается их высоким поверхностным натяжением (0,3−0,6 Дж/м²): у типично молекулярных жидкостей поверхностное натяжение, по данным О.

Поверхностное натяжение и смачивающая способность силикатных расплавов.

Это сокращение осуществляется за счет сил поверхностного натяжения, являющихся результатом действия сил поверхностной энергии.

Поверхностным натяжением называется сила, действующая на единицу длины тангенциально к поверхности.

Так как поверхностное натяжение определяется энергией, приходящейся на единицу площади, единицами его измерения является Дж/м² или Н/м.

В основу методов определения поверхностного натяжения расплавов положено измерение энергии и силы разрыва межмолекулярных связей.

Следует отметить, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение характеризуют межмолекулярные или межатомные силы на поверхности вещества: чем больше энергия межатомной связи, тем при прочих равных условиях больше поверхностное натяжение.

Очевидно, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение у твердых тел значительно больше, чем у жидкостей.

Значения поверхностного натяжения у неорганических веществ варьируют в широких пределах: от сотых долей Дж/м² у воды до более 11 Дж/м² у алмаза.

Для расплавов силикатов характерно довольно высокое поверхностное натяжение (0,2−0,3 Дж/м²), которое в 3—5 раз больше, чем у воды, и сравнимо с поверхностным натяжением расплавов металлов.

Основными параметрами, определяющими поверхностное натяжение расплавов, так же, как и вязкость, являются состав и температура.

Однозначной зависимости между составом силикатных расплавов и их поверхностным натяжением не установлено.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что влияние отдельных оксидов на поверхностное натяжение силикатных расплавов неоднозначно и зависит от состава расплава.

Как уже отмечалось, увеличение энергии межионного взаимодействия должно приводить к повышению поверхностного натяжения расплавов.

Действительно, с увеличением радиуса катионов в ряду Li+—>-Na±>-K+ поверхностное натяжение в расплавах стекол убывает.

Наибольший вклад в поверхностное натяжение силикатных расплавов вносят оксиды элементов II группы периодической системы за некоторыми исключениями (например, А1203).

По мере перехода к элементам III—IV групп значение поверхностного натяжения в среднем понижается.

В простой, приблизительно аддитивной зависимости от состава находится поверхностное натяжение расплавов, образованных из оксидов I группы. химический стекло температура натяжение Эти оксиды, в особенности оксиды III группы, имея в жидком состоянии более низкую поверхностную энергию, стремятся сконцентрироваться на поверхности, образуя на ней устойчивый слой, отличный по составу от состава в объеме расплава, что приводит к резкому снижению поверхностного натяжения.

Температурный фактор весьма сильно сказывается на поверхностном натяжении, причем связь здесь однозначна: по мере повышения температуры поверхностное натяжение уменьшается, так как энергия межмолекулярного взаимодействия становится слабее.

Следует, однако, иметь в виду, что поверхностное натяжение силикатных расплавов с ростом температуры уменьшается довольно мало, что подчеркивает особый характер их природы.

Поверхностное натяжение и связанная с ним смачивающая способно.

Так, при варке стекла поверхностное натяжение определяет удаление пузырей из стекломассы — процесс осветления.

При образовании пузырей в стекломассе скорость их роста, подъемная сила пузыря и скорость удаления из стекломассы в значительной степени зависят от значения поверхностного натяжения стекломассы на границе с газовой средой пузыря.

Малое значение поверхностного натяжения стекла благоприятствует увеличению размера пузырей, а следовательно, их подъему и выходу из стекломассы, большое значение, наоборот, способствует их уменьшению.

Аналогичным образом при образовании в стекломассе неоднородностей, состав которых отличается от основного состава стекломассы, форма образующейся неоднородности будет зависеть от значения поверхностного натяжения на границе основной стекломассы и неоднородности.

Если поверхностное натяжение неоднородности, например, свили, больше поверхностного натяжения основной массы стекла, то свиль свертывается в клубок и это затрудняет ее растворение.

Наоборот, если поверхностное натяжение основного стекла больше поверхностного натяжения стекла свили, то свиль растворяется в стекле, которое быстро становится однородным.

Силы поверхностного натяжения существенно влияют на процесс изготовления изделий из стекла.

Под действием сил гидростатического напора, межфазного поверхностного натяжения и продольной силы вытягивания стекломасса растекается до равновесной толщины с образованием плоскопараллельного жидкопластичного слоя.

При формовании стекла этим методом силы межфазного поверхностного натяжения являются одним из главных действующих факторов.

Можно было бы привести еще ряд примеров из области выработки стекла, где очень многое зависит от поверхностного натяжения, вытягивание ленты стекла при помощи лодочки, формование стекловолокна, огневая полировка и др.

В других областях технологии силикатов поверхностное натяжение проявляет себя в процессе высокотемпературного растворения и кристаллизации расплавов, о чем пойдет речь ниже.

Зависимость поверхностного натяжения стекла от температуры и состава в системе Na₂O—CaO—S10₂ исследована Уошберном, Шельтоном и Либменом. Все значения, полученные ими, сильно отличаются от истинных величин вследствие неточности исследования. В последнее время более точные данные для этой же системы получены Ботвинкиным и Oxoтиным (Институт стекла). Они исследовали при температурах от 1000 до 1400° серию стекол, составы которых колебались в следующих пределах: S10₂ — от 70 до 75%, CaO — от 0 до 11,6% и Na₂O — от 13 до 30%. Все полученные значения поверхностного натяжения оказались в пределах от 260 до 286 г/сек². Таким образом, поверхностное натяжение стекла в очень незначительной степени зависит от температуры и состава.

При повышении температуры величина поверхностного натяжения немного уменьшается. В трехкомпонентном стекле обычного состава при температуре 10lO0 у = 283 гсек., а при 1380° а = 260 гсек².

• 1. Стекло; Издательство иностранной литературы — Москва, 2006. — 280 c.
• 2. Брозовский Д. И., Яковлева В. Н. Химико-москательные и силикатные товары; Государственное издательство торговой литературы — Москва, 1992. — 240 c.
• 3. Гершанова Светлана. Волшебное стекло; И. П. Гершанова — Москва, 2011. — 176 c.
• 4. Ерофеев В. Т., Баженов Ю. М., Завалишин Е. В., Богатов А. Д., Асташов А. М., Коротаев С. А., Никитин Л. В. Силикатные и полимерсиликатные композиты каркасной структуры роликового формирования; Издательство Ассоциации строительных вузов — Москва, 2009. — 160c.
• 5. Качалов Н. Стекло; Издательство Академии Наук СССР — Москва, 2009. — 468c.