玻璃的表面张力是如何在玻璃的融化成型中发挥作用的

玻璃的表面张力在玻璃的熔化、成型中发挥的作用段光申（武汉理工大学材料科学与工程学院）【摘要】本文通过对表面张力的解释和玻璃表面张力的概念、意义及化学组成对玻璃表面张力的影响描述，并结合一些理论知识和公式、分析图表等科学手段，阐述了玻璃表面张力在熔化部对玻璃液澄清、均化以及在锡退部对玻璃抛光、成型的作用及影响。【关键词】玻璃表面张力澄清均化玻璃成型影响作用表面张力在玻璃生产过程中有着重要的意义，在玻璃熔制过程中，表面张力对玻璃液的澄清、均化起着重要的作用。而且玻璃液的表面张力还影响到玻璃液对金属表面的附着作用，同时它在玻璃与其他材料封接时也具有重要意义。浮法玻璃的生产原理也基于玻璃和熔融锡液表面张力的相互作用和重力作用，从而获得了可与磨光玻璃表面媲美的优质平板玻璃。当然表面张力也会给玻璃生产带来不利影响。如生产玻璃薄膜和玻璃纤维时，就必须克服表面张力作用。浮法生产玻璃时要用拉边机等措施克服由于表面张力引起的收缩。所以认识和了解玻璃的表面张力并对其加以研究是十分有必要的。1、玻璃表面张力的性质1.1表面张力的物理意义熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用而趋向于熔体的内部，使玻璃液表面层形成一种力图使液体收缩的力，因此表面分子间存在着作用力，即表面张力。他可以用单位长度上的力来表示，单位是N/m，也可以用单位面积上的能来表示，单位是J/m2.硅酸盐的表面张力一般在（2.20—3.80）×10-1N/m范围内，比水大3—4倍，比熔融的盐类大，与熔融的金属相近。1.2表面张力与组成的关系对于钠钙硅玻璃，表面张力与组成的关系比较简单，可用加合法计算。s=∑isai式中is—各种氧化物的表面张力系数；ai—氧化物含量，以质量百分数表示。凡是影响质点间作用（键）力的因素，都将直接影响表面张力的大小。组成氧化物对表面张力的影响：1、SiO2:随SiO2含量的增加，氧硅比下降，熔体复合阴离子团愈大，则相互作用力愈大，则这些复杂阴离子部分被排挤到熔体表面层，故而表面张力增加。2、R2O:碱金属氧化物含量越高，氧硅比越大，主要起到断网作用，大集团解变变小，作用力增大，即表面张力增大。3、Al2O3、CaO、MgO使玻璃的表面张力增加。4、K2O、PbO、TiO2等能降低玻璃的表面张力。2、表面张力对澄清、均化的影响2.1表面张力对澄清的影响玻璃液的表面张力对玻璃液中气泡的澄清有较大的影响，一定的表面张力可以使微小气泡中的气体产生很大的压力，有利于气泡中气体溶于玻璃液中。而使气泡消除对于大气泡来说，表面张力越小气泡中气体压力越低，同时，表面张力减小，玻璃液粘度也随之降低，这有利于气泡吸收气体上升而消除。根据一般的玻璃表面张力在0.22—0.38N/m范围内，我们假定玻璃液在不同表面张力下澄清，则根据前人的实验分析可知，表面张力的不同队CO2和SO3的浓度略有影响，而对N2的浓度影响不大。随着表面张力的减小，玻璃液的粘度也减小，玻璃液中各种气体在热点以后的浓度也随之降低，而气泡在玻璃液中的运动也更加容易，玻璃液的澄清状况也会改善。图2-1即为一定澄清时间内，不同表面张力下的玻璃液中气泡澄清数量百分比。图2-1不同表面张力下玻璃液中气泡澄清数量百分比从图2-1可以看出，玻璃液表面张力越小，玻璃液澄清效果越好，这也与实际生产情况相符，在澄清前段时间内表面张力大（0.38N/m2）时的澄清情况略好于表面张力小时的情况，即表面张力对微小气泡的消除起了很大作用；而澄清一段时间后表面张力（0.22N/m2）时的澄清情况最好，这说明气泡生长消除和玻璃液粘度的大小对玻璃液的澄清有较大的影响。不同表面张力时玻璃液中气泡澄清数量值见表2-1。表2-1不同表面张力下一定时间内气泡澄清情况2.2表面张力对均化的影响玻璃液的均化主要是消除条纹和不均匀体，最终达到化学组成和温度等均匀的目的。在均化时如果s线道s玻璃,线道趋于球形，不利于周围玻璃液中气泡和条纹的扩散与溶解；反之则非均相极力求展开成薄膜状，并包围在主题玻璃周围。这样既增加了两相接触面积，又缩短了必要的扩散行程，有利于非均相扩散。较低的表面张力有助于玻璃液的均化。3、表面张力对玻璃成型的影响3.1浮法成型玻璃液通过流槽流入熔融的锡液面上，在自身重力、表面张力及拉引力的作用下，玻璃液摊开成为玻璃带，在锡槽中完成抛光与拉薄，把锡槽末端即将硬化的玻璃带引出锡槽，通过过度辊台进入退火窑，其过程如图3—1所示。图3—1浮法生产示意图1—流槽；2—玻璃液；3—碹顶；4—玻璃带；5—锡液；6—槽底；7—保护气体管道；8—拉边机；9—过度辊台；10—闸板3.2浮法玻璃的自由厚度与表面张力的关系当浮在锡液面上的玻璃液不受到任何外力作用时所显示的厚度称自由厚度。它决定于下列各力之间的平衡：玻璃液的表面张力σg、锡液的表面张力σt、玻璃液与锡液界面上的表面张力σgt以及玻璃液与锡液的密度dg、dt。其间的关系可用下式表示：式中：g——重力加速度。应用上述公式可对浮法玻璃的自由厚度H作估算。3.3表面张力在浮法玻璃成型特性中的作用浮法玻璃成型特性决定于上述三个表面张力及玻璃液对锡液的湿润性。玻璃液在锡液表面上的湿润性与液体在固体表面的湿润性相似。玻璃液层大约有1/3厚度沉入锡液中，如图3—2所示。当平衡时，三个表面之间必须满足下列条件：tcosggtssqs=+图3—2玻璃液的浸润根据测定结果，500度时，玻璃液和锡液之间的浸润角为175度，这几乎为完全不浸润，即使在100摄氏度左右，q也不会发生明显的变化所以cosq始终为负值，σg和σgt都使玻璃保持一定的厚度，而σt则使玻璃展薄。因此，σt和σg+σgt之间的差决定了玻璃展薄的程度。用展薄系数Fs表示他们之间的差，即：Fs=σg（cosq-1）由于cosq为负值，Fs也必然是负值。由此可知，如果没有辅助的作用力，不可能成型为很薄的板，而是较厚的板。3.4表面张力对玻璃抛光的影响玻璃的抛光时借助玻璃表面张力的作用使表面平滑，浮法玻璃成型工艺的抛光过程可以控制较小的降温速度和均匀的温度场，使表面张力充分发挥其作用。玻璃液由流槽流入锡槽时，由于流槽面与锡液面存在落差以及流入时的速度不均将形成正弦状波纹，在进行横向扩展的同时向前漂移，此时正弦状波形纹将逐渐减弱（如图3—3所示）。处于高温状态下的玻璃液由于表面张力的作用，使其具有平整的表面，达到玻璃抛光的目的，其过程所需时间即为抛光时间。它对设计锡槽的长度与宽度是一重要的技术参数。图3—3玻璃带的纵向断面波的断面曲线近似地假定为正弦函数：把1个波长λ范围内的玻璃液视为一个玻璃滴，因而其中任一点的X处所受到的压强P是玻璃表面张力所形成的压强和流体的静压强之和，即：经运算可得下式：玻璃板的抛光作用主要是表面张力，因而表面张力的临界值应不低于静压力值。此时：玻璃的表面张力在玻璃的熔化、成型中发挥着非常重要的作用，通过查阅书籍和文献我对玻璃的表面张力有了更加详细、深刻的认识。但由于专业知识的不足，其中肯定有一些错误和片面的看法，在以后的学习中我会逐步弥补自己在本文中的不足之处，如果发现本文中有什么错误，还望多多批评指正。参考文献：［1］西北轻工业学院.玻璃工艺学.北京：轻工业出版社，1982［2］马晶，浮法玻璃熔窑内玻璃液澄清的计算模拟，武汉理工大学硕士论文，2002［3］陈正树等，浮法玻璃，武汉：武汉理工大学出版社，1995［4］吴柏诚主编，玻璃制造工艺基础，北京：中国轻工业出版社，1997［5］齐济等，浮法玻璃中气泡的分析，大连轻工业学院学报［6］齐济等，与锡槽有关的玻璃缺陷的形成和防止，玻璃。2002［7］赵彦钊，殷海荣主编，玻璃工艺学，北京：化学工业出版社，2006［8］张玉忱，谈谈玻璃熔制过程中的动力学，国家建材局管理干部学院秦皇岛分院［9］傅云清译，（苏）B.11.別斯巴洛夫等，平板玻璃熔窑中玻璃液的澄清与均化，中国玻璃，1992［10］M.Choudary.AthreedimensionalmathematiealmodelforflowandheatTransferineleetrieglassfurnaees.IEEETrans.onInd.APPl,1986［11］s.v.Patankar.传热与流体流动的数值计算(,张政译).北京:科学出版社,1984.