2.玻璃成型工艺原理

主讲人：焦宇鸿2.1与玻璃成型有关的性质2.1.1玻璃状态转化性质自由流动体：具有液体通性，可自由流动，黏度小于104.25Pa·s成型高黏塑性体：受成型控制后，有良好的形态变化，并能逐渐保持新的成型形态，黏度为104.25-105.75Pa·s不可成型高黏塑性体：玻璃体有看可塑性，但必须在较强受理下才有成型的可能，实际已失去成型的可行性，黏度105.75-108Pa·s弹性塑体：受力后有形态变化，有可弯性，无厚度成型性，重新受力有可恢复原有平整状态性能，黏度108-1011Pa·s主讲人：焦宇鸿弹性初态：受力发生断裂。内部指点有很强的滑动性，黏度1011-1012Pa·s弹性体转化过程：转化为完全弹性体。黏度1012-1016.5Pa·s2.1.2玻璃的黏度1.定义:黏度又称为粘滞系数，是指抵抗流体（液体或气体）流动的量度。将两块面积为1m的板浸于液体中，两板距离为1米，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pa.s。（公式P82-1）主讲人：焦宇鸿f＝ηSdv/dx（2-1）式中f―两层液体间的内摩擦力；S―两层液体间的接触面积；dv/dx―垂直流动方向的速度梯度；η―比例系数，称为粘滞系数，简称黏度。单位是Pa·s，或P(泊，1Pa·s=10P)；黏度的倒数称液体流动度Φ，即Φ=1/η。黏度的单位:Pa·s;1帕·秒（Pa·s）=10泊（P）。还有dPa·s（分帕·秒）、cPa·s（厘帕·秒）、mPa·s（毫帕·秒）。换算关系如下：1Pa·s=10dPa·s=100cPa·s=1000mPa·s主讲人：焦宇鸿玻璃的黏度与熔体结构密切相关，而熔体结构又决定于玻璃的化学组成和温度。熔体的结构特点：1.熔体中有许多聚合程度不同的负离子团平衡共存2.负离子团形状不规则，短程有序3.负离子团的种类、大小随熔体组成及温度的变化而变化4.离子半径大而电荷小的氧化物课时硅氧基团出现断裂，负离子团变小5.某些情况下会产生分相硅酸盐熔体中存在大小不同的硅氧四面体活络和阴离子，熔体中存在较大的空隙，可使小型的四面体群穿插移动。熔体中碱金属和碱土金属以离子状态R+,R2+存在。影响玻璃黏度。2.黏度与熔体结构的关系主讲人：焦宇鸿无规则网络学说的玻璃结构模型石英晶体石英玻璃钠硅酸盐玻璃主讲人：焦宇鸿3.影响玻璃黏度的主要因素影响熔体黏度的主要因素是温度和化学组成。硅酸盐熔体在不同温度下的黏度相差很大，可以从102变化至1015Pa·s；组成不同的熔体在同一温度下的黏度也有很大差别。在硅酸盐熔体结构中，有聚合程度不同的多种聚合物交织而成的网络，使得质点之间的移动很困难，因此硅酸盐熔体的黏度比一般液体高得多。黏度是玻璃重要的性质之一，尤其在成型和退火方面起着控制性的作用。在很多工序中都用黏度作为控制和衡量的标志。主讲人：焦宇鸿玻璃料性：对应于粘度104－108P时的温度间距。温度影响：10Pa·s（或更低）-1011Pa·s黏度范围内，玻璃的黏度与化学组成与温度有关，从1011-1014（或更高）的范围内，黏度还是时间的函数A区：典型的黏性液体B区（转变区）：黏度随温度的下降而迅速增大，还是时间的函数C区：弹性区P10表2-1主讲人：焦宇鸿主讲人：焦宇鸿黏度对应的温度主讲人：焦宇鸿化学组成对玻璃黏度的影响玻璃化学组成与粘度之间存在复杂的关系，氧化物对玻璃粘度的影响，不仅取决于该氧化物的性质，而且还取决于它加入玻璃中的数量和玻璃本身的组成。当加入SiO2、Al2O3、ZrO2等氧化物时，因这些阳离子的电荷多、离子半径小，故作用力大，总是倾向于形成更为复杂巨大的阴离子团，使粘滞活化能变大，增加玻璃的粘度。当引入碱金属氧化物时，因能提供“游离氧”，使原来复杂的硅氧阴离子团解离，使粘滞活化能变小，降低玻璃的粘度。主讲人：焦宇鸿当加入二价氧化物时对粘度的影响较为复杂，它们一方面与碱金属离子一样，给出游离氧使复杂的硅氧阴离子团解离，使粘度减小，另一方面这些阳离子电价较高、离子半径又不大，可能夺取原来复合硅氧阴离子团中的氧离子于自己周围，致使复合硅氧阴离子团“缔合”而粘度增大。CaO、B2O3、ZnO、Li2O对粘度影响最为复杂。低温时ZnO、Li2O增加粘度，高温时降低粘度。低温时CaO增加粘度，高温时含量10-12%降低粘度，含量10～12%增加粘度。低温时B2O3含量15%增加粘度，含量15%降低粘度，高温时降低粘度。主讲人：焦宇鸿（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度。（2）碱金属氧化物降低粘度。（3）碱土金属氧化物对粘度的作用较为复杂。一方面类似于碱金属氧化物，能使大型的四面体解聚，引起粘度减小；另一方面这些阳离子电价较高（比碱金属离子大一倍），离子半径又不大，故键力较碱金属离子大，有可能夺取小型四面体群的氧离子于自己周围，使粘度增大。前者在高温时是主要的，而后者主要表现在低温。碱土金属离子对粘度增加的顺序一般为：Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+（4）PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。此外，Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低温粘度，降低高温粘度的作用。主讲人：焦宇鸿4.黏度在生产中的应用在生产中玻璃的熔化、澄清、均化、供料、成型、退火等工艺过程的温度制度，一般都是以其对应的粘度为依据制定的，因此掌握粘度的变化规律对控制生产提高制品产量、质量是有利的。主讲人：焦宇鸿（2）平板玻璃在成形过程中，首先玻璃的粘度必须满足要求，使制品能快速冷却通过成形温度范围，防止玻璃析晶。在平板玻璃成形中，一般必须确定一个“操作点”，作为参照点。“操作点”的定义是，相当于粘度约为103的温度，它处于成形温度的上限。另一参考温度点为成形温度范围的下限，相当于粘度约为106.6的温度，即玻璃的软化点。在平板玻璃生产控制和变更玻璃成分时，必须善于应用、和（液相温度）这些参考点。主讲人：焦宇鸿5.黏度的计算方法（1）奥霍琴法此法适用于含有MgO、Al2O3的钠钙硅玻璃系统玻璃，当Na2O在12～16%、CaO+MgO在5～12%、Al2O3在0～5%、SiO2在64～80%范围内时，可应用下列公式计算：tη=Ax+By+Cz+D(2-3)式中：tη—该粘度值对应的温度x,y,z—分别是Na2O、CaO+MgO3%、Al2O3的重量百分数A,B,C,D—分别为Na2O、CaO+3%MgO、Al2O3、SiO2的特性常数，随粘度值而变化，见表2-3。主讲人：焦宇鸿例1：已知某玻璃成分为：SiO274%，Na2O14%，CaO6%，MgO3%，Al2O33%试求粘度为1012时的温度。解：根据表2-3查得η=1012时的各氧化物特性常数及已知的氧化物重量百分数代入式(4-8)即可得：tη1012=-7.46×14+3.21×(6+3)+5.52×3+632.9≈573.91℃主讲人：焦宇鸿已知某玻璃成分为：SiO273%，Na2O15%，CaO8%，MgO1%，Al2O33%试求粘度为104时的温度。解：根据表4-5查得η=104时的各氧化物特性常数及已知的氧化物重量百分数代入式(2-3)即可得：tη104=-15.37×15-6.25×(8+1)+5.00×3+1194.27≈922℃校正：MgO实际含量比3%低2%，查表4-5可知，粘度为104时，当1%MgO被1%CaO所取代时，温度将降低5℃，则温度共降低2×5=10℃，因此：tη104=922.47-10=912℃例2：主讲人：焦宇鸿富尔切尔（Fulcher）法此法适用于实用工业玻璃。其成分以相对于SiO2为1.00mol含量来表示，即以氧化物的摩尔数/SiO2摩尔数表示。计算系统适用玻璃的成分范围为：SiO21.00mol；Na2O0.15~0.20mol；CaO0.12~0.20mol；MgO0.00~0.051mol；Al2O30.0015~0.073mol。此时粘度-温度关系式：ABTTlg0式中、和可从下式求出：A=-1.4788Na2O+0.8350K2O+1.6030CaO+5.4936MgO-1.5183Al2O3+1.4550B=-6039.7Na2O-1439.6K2O-3919.3CaO+6285.3MgO+2253.4Al2O3+5736.4T0=-25.07Na2O-321.0K2O+544.3CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1（注意：式中η值为泊，该体系适应的粘度范围为10到1012Pa•s。实验与计算的一般偏差为3℃。）主讲人：焦宇鸿2.1.3表面张力与其他液体一样，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内部，使表面有收缩的趋势，即玻璃液表面分子间存在着作用力，即表面张力。硅酸盐玻璃的表面张力一般为（220~380）×10-3N/m，比水的表面张力大3~4倍，也比熔融的盐类大，而与熔融金属数值接近。近代浮法平板玻璃生产原理，也是基于玻璃的表面张力作用，而获得了可与磨光玻璃表面相媲美的优质玻璃。另外，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，同时在玻璃与金属材料和其他材料封接时也有重要作用。主讲人：焦宇鸿但是，表面张力有时对某些玻璃制品的生产带来不利影响。例如在生产压花玻璃及用模具压制的玻璃制品，其表面图案往往因表面张力作用使尖锐的棱角变圆，清晰度变差。在生产玻璃薄膜和玻璃纤维时，必须很好的克服表面张力的作用。在生产平板玻璃，特别是薄玻璃拉制时要用拉边器克服因表面张力所引起的收缩。表面张力在玻璃生产中的应用表面张力在浮法玻璃成型中的应用表面张力在连续纤维成型中的应用表面张力在其他方面的应用主讲人：焦宇鸿作业2：1.黏度是什么？玻璃黏度与温度的关系，关键黏度对应的温度点有哪些？2.黏度在玻璃生产中的应用有哪些？3.普通平板玻璃黏度如何知道？4.表面张力在玻璃生产中的应用有哪些？主讲人：焦宇鸿一.玻璃的热膨胀系数(一)热膨胀现象常温质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动）高温质点振动幅度增大，质点间距也变大，于是出现热膨胀现象。(二)热膨胀系数1.线膨胀系数，且常用平均值。=l/l0·1/TT=t2-t12.体积膨胀系数=V/V·1/t3单位：1/C玻璃常用10-7/C2.1.4玻璃的热学性质玻璃的热性质包含比热容，热导率，热膨胀系数及透热性等。主讲人：焦宇鸿温度和的关系(1)不同T的不同。对要指明温度段。例：Na2O15%CaO10%SiO275%温度C20~10020~20020~30020~40010-71/C899193.596(2)一般T增大则增大，Tg点以下~t曲线基本由数段线段组成。(3)Tg点以上随温度急剧增大，到Tf时可增三倍。主讲人：焦宇鸿二.玻璃的导热系数定义：温度梯度为1时，在单位时间内通过试样单位截面积的热量。Q=λSΔt/δ（单位：W/m·C常用：卡/厘米·秒·度）(一)影响因素*温度升高λ增大。到软化点Ts时可增大一倍。*SiO2、Al2O3、B2O3使λ增大。R2O、PbO、BaO可降低λ。*玻璃颜色越深λ越低.(二)计算巴里赫尔公式λ=∑Piλi主讲人：焦宇鸿三.玻璃的热稳定性定义：玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能。常用试样在保持不破坏条件下的最大温差T表示。T＞２５０C为特硬玻璃；T１５０－２５０C称硬质玻璃；T＜１５０C为软质玻璃玻璃承受急热能力比急冷能力好主讲人：焦宇鸿影响因素*1.α对热稳定性有决定性影响。α越小热稳越好*２.降低强度的因素都降低热稳定性玻璃的热稳定性同强度一样存在疲劳现象*３.制品厚度（越厚热稳定性越差）热稳定系数K=PαEλcd主讲人：焦宇鸿2.1.5玻璃析晶性能主讲人：焦宇鸿主讲人：焦宇鸿不易析晶的特点1.液相温度越低，成形中析晶倾向越小2.析晶上下限温差越小，析晶倾向越小3.玻璃中成核速度越小，析晶倾向越小4.玻璃中晶体生长速度越小，析晶倾向越小5.成和速度最大时对应温度越低，析晶倾向越小6.晶体生长速度最大时对应温度越低