Понятие вязкости. Зависимость вязкости стекол от температуры и химического состава. Его роль в технологии стекла

Вязкость это важнейшая характеристика, предопределяющая процессы стекловарения, выработки стекла, отжига и закалки. Это сила трения между двумя параллельными слоями жидкости, соприкасающиеся по площади 1см² при градиенте скорости=1. Вязкость зависит от температуры: Рис.

При переходе стекла из расплавленного в твердое состояние вязкость изменяется от 10⁰ до 10¹⁶Па*с. Каждому процессу в технологии стекла соответствует своя вязкость. На графике зависимости есть две характерные для стекла температуры: t_g и t_f. Выше t_g стекло проявляет свойства, типичные для жидкости. Ниже t_g –для твердого тела. В интервале t_g - t_f стекло находится в вязко-пластичном состоянии.то и отличает стекло от других жидкостей. Важным для технологии стекла является интервал 10²-10⁸ . Здесь находится температура размягчения.Вязкость=10^6,6Па*с. При этой температуре начинается удлинение нитей стекла под действием собственного веса. В зависимости от того, с какой скоростью изменяется вязкость в интервале формования, стекла условно делятся на «длинные» и «короткие». Вязкость сильно зависит от химического состава стекла. Даже малые количества щелочных металлов могут значительно уменьшить вязкость. Оксиды, понижающие вязкость-оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (модификаторы) Повышают вязкость SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂. Влияние остальных оксидов неоднозначное. В₂О₃ снижает вязкость при высоких температурах. СаО при высоких температурах снижает вязкость, а при низких повышает.

различают короткие и длинные стекла (см. рис. 4.1). 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°С, «короткие» — 100—150°С. Кривая

температурного хода вязкости короткого стекла в интервале 102—108

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

увеличиться вязкость, что формование стекломассы станет

невозможным. Влияние химического состава стекла на его вязкость и «длину» очень велико. Варьируя содержание тех или иных компонентов в составе стекла, можно осуществлять непрерывное изменение вязкости в заданном направлении.

Вязкость силикатных стекол зависит от прочности химических связей между частицами вещества и от степени связности кремнекислородного каркаса.

В ряду силикатных стекол наиболее высокие значения вязкости при одинаковых температурных условиях характерны для кварцевого стекла. С увеличением в составе бинарных щелочно-силикатных стекол оксида щелочного металла резко уменьшается их вязкость (табл. 4.1). В стекле появляются немостиковые атомы кислорода, снижается целостность каркаса, растет доля связей Ме–О (Ме – Li,Na, К), прочность которых в несколько раз уступает прочности связи Si – О.

Природа вводимых катионов также влияет на вязкость стекла. Из щелочных катионов наиболее резко снижают вязкость ионы лития.

Наиболее вязкими среди щелочно-силикатных стекол при одинако-вых молекулярных составах и температуре являются расплавы калиево-

силикатных стекол.

При введении в состав щелочно-силикатных стекол оксидов щелоч-ноземельных металлов вязкость их снижается. В ряду МgO – СаО – SrО – ВаО, где каждый последующий оксид действует более сильно, чем предыдущий, наиболее интенсивно снижает вязкость оксид бария. В бесщелочных стеклах оксиды щелочноземельных металлов оказывают аналогичное действие, но порядок их расположения "является обратным, т.е. оксид магния в наибольшей степени способствует понижению вязкости стекломассы.

Оксиды ZnО, СаО, РЬО снижают вязкость более интенсивно, чем оксиды металлов главной подгруппы. По возрастанию интенсивности воздействия оксиды располагаются в ряд ZnО– СaO – РЬО.

Введение тугоплавких оксидов А12O3, SiO2, ZrO2 во всех случаях вы-зывает повышение вязкости. Оксиды СаО (до 10%). В2O3 (до 15%), МgO и ZnО в большей степени понижают вязкость в области высоких температур и в меньшей степени в области низких температур.

На практике для получения легкоплавких глазурей с повышенной текучестью в состав глазури обычно вводят соединения фтора, бария, свинца. Для снижения вязкости расплавов в период варки в состав шихты вводят добавки фтористых соединений в виде бифторида калия аммония NН4КF2, криолита ЗNaF – АlF3, кремнефтористых соединений, а также сульфата и нитрата натрия и других соединений.

Изменяя составы стекол, удается варьировать их «длину». Добавки Na О (путем замены SiO2 или СаО), К2O, МgО (за счет СаО), РЬО (за счет оксидов щелочноземельных металлов) способствуют удлинению температурного интервала формования. Замена SiO2 на СаО, В2O3 (до 15- 20 %), А12O3 или ZrO2 делает стекло более коротким.