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座滴法測(cè)量玻璃熔體表面張力準(zhǔn)確性及影響因素
來源:玻璃 瀏覽 1834 次 發(fā)布時(shí)間:2025-03-13
2影響準(zhǔn)確性因素分析
2.1玻璃試樣本身的影響
玻璃試樣要保證化學(xué)組成的均勻性,且內(nèi)部不能包含缺陷(氣泡、結(jié)石和條紋等)。如有氣泡會(huì)導(dǎo)致玻璃熔體體積失真,如圖3所示。氣泡中的氣體受熱會(huì)進(jìn)一步膨脹,使玻璃液滴體積增大,導(dǎo)致玻璃液滴在測(cè)試溫度下的密度偏低,最終影響玻璃熔體表面張力的測(cè)試結(jié)果。玻璃條紋和結(jié)石等缺陷也是玻璃成分不均的表現(xiàn),在受熱條件下影響玻璃熔體液滴形態(tài),導(dǎo)致無法獲得中心旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的玻璃液滴,因此應(yīng)選擇無內(nèi)在質(zhì)量缺陷的玻璃。
圖3含有氣泡的玻璃液滴
玻璃試樣的尺寸大小及外觀形貌也極為重要。玻璃試樣應(yīng)為0.2~0.4 g的玻璃顆粒/片,不可為玻璃絲或玻璃屑,應(yīng)獲取相對(duì)新鮮的表面,表面不能有沾污。獲取玻璃試樣應(yīng)該選擇大塊玻璃進(jìn)行錘擊破碎,使之破碎成多棱角玻璃顆粒,玻璃片應(yīng)通過劃痕方式掰斷,不可通過研磨的方式來獲取玻璃顆粒,因?yàn)樵谘心ミ^程中,玻璃顆粒表面會(huì)產(chǎn)生大量劃痕和表面沾污,這些劃痕及粘附在玻璃試樣表面的雜質(zhì)均會(huì)影響玻璃熔體表面張力的準(zhǔn)確測(cè)量。
2.2承托板材質(zhì)和表面質(zhì)量的影響
承托板在測(cè)試過程中與玻璃熔體產(chǎn)生直接接觸,承托板材質(zhì)首先要滿足測(cè)試溫度的要求,符合玻璃熔體測(cè)試溫度要求并易獲得的材質(zhì)有鉑銠合金、石英、剛玉和石墨。材料表面與玻璃熔體產(chǎn)生潤(rùn)濕與非潤(rùn)濕問題,潤(rùn)濕能力由相鄰兩相的自由表面能決定,用表面張力的大小來表示[9]。當(dāng)固體、液體和氣體三者之間相互作用力達(dá)到平衡時(shí),就必須服從式(4):
式中:ss.g——固-氣界面上的表面張力;
ss.l——固-液界面上的表面張力;
sl.g——液-氣界面上的表面張力;
q——潤(rùn)濕角(接觸角)。
圖4為玻璃潤(rùn)濕示意圖。如果液體(熔體)和固體間的表面張力很大時(shí),趨向于收縮成球狀以減少兩相界面,潤(rùn)濕角q也較大,q>90°,稱為液相不潤(rùn)濕固相;q<90°,稱為液相潤(rùn)濕固相。
圖4玻璃潤(rùn)濕示意圖
由于潤(rùn)濕問題首先可排除鉑銠合金材料,在實(shí)驗(yàn)室熔制玻璃常用鉑銠合金坩堝,鉑銠合金與玻璃熔體呈潤(rùn)濕狀態(tài),如圖5所示,玻璃熔體呈扁平狀不能成球。
圖5鉑銠合金與玻璃熔體潤(rùn)濕示意圖
在相同溫度條件下探究石英材質(zhì)、剛玉材質(zhì)和石墨材質(zhì)對(duì)玻璃熔體潤(rùn)濕的影響,結(jié)果如圖6所示。玻璃熔體與石英薄片和剛玉薄片潤(rùn)濕鋪展,而石墨薄片不潤(rùn)濕鋪展,故石墨可作為測(cè)量玻璃熔體表面張力的承托板材料[11]。此外石墨材料也要有足夠的光滑度,表面質(zhì)量差的石墨承托板會(huì)對(duì)玻璃熔體成球形狀產(chǎn)生影響。就工業(yè)生產(chǎn)的高純石墨材料產(chǎn)品而言,要選取符合GB/T 30071—2013要求的表面平整度小于0.04 mm,粗糙度小于0.02 mm的高純石墨材料[12]。
圖6不同材質(zhì)承托板對(duì)玻璃熔體潤(rùn)濕的影響
石墨在高溫下易氧化,如圖7所示,氧化會(huì)破壞高純石墨承托板的表面平整度,影響玻璃熔體成球形狀,進(jìn)而影響玻璃液滴體積測(cè)量,最終導(dǎo)致表面張力測(cè)量誤差。為了避免高純石墨承托板氧化以及玻璃試樣在高溫熔融狀態(tài)下氧化的問題,須在試樣放進(jìn)加熱爐前通入保護(hù)氣,因?yàn)榉菢O性分子對(duì)玻璃熔體表面張力的影響最小,非極性分子有氮?dú)狻⒑狻錃獾龋獨(dú)饬畠r(jià)且易得,選用氮?dú)庾鞅Wo(hù)氣。考慮到爐管直徑與體積,轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)置為1~3 L/min,大致能夠滿足每分鐘3~10倍的氣體置換,使?fàn)t內(nèi)形成正壓,氧氣不會(huì)滲入爐內(nèi),防止石墨承托板氧化,保護(hù)氣體充滿整個(gè)加熱爐的同時(shí)不會(huì)氣流過大,將試樣吹落。
圖7石墨承托板氧化示意圖
2.3裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響
2.3.1承托板與相機(jī)水平線平行性的影響
承托板與相機(jī)水平線不平行,表現(xiàn)為測(cè)量的玻璃液滴高度與液滴實(shí)際高度有誤差,誤差較大時(shí)影響玻璃液滴體積的測(cè)量,導(dǎo)致計(jì)算的玻璃液滴密度偏差較大,進(jìn)而直接影響表面張力的測(cè)量結(jié)果。
2.3.2相機(jī)軸線與剛玉托架軸線是否同心的影響
相機(jī)軸線相較剛玉托架的軸線向左右兩邊有偏移時(shí),玻璃液滴的投影雖然仍在相機(jī)視野中心,但是實(shí)際上玻璃液滴并沒有在剛玉托架的中心位置。偏心距離小于2 mm時(shí),相機(jī)視野中看不出有變化;偏心距離超過2 mm時(shí),相機(jī)視野的輪廓發(fā)生扭曲,可以肉眼辨別出來。當(dāng)偏心距離在2 mm以內(nèi)時(shí),測(cè)得的表面張力較真實(shí)值偏小,偏差范圍在1%以內(nèi)。
2.3.3液滴投影是否位于相機(jī)視野中心的影響
相機(jī)軸線與剛玉托架的軸線基本同心,但是樣品在放置或者成球過程中位置不在承托板的中心位置,偏移位置的不同對(duì)測(cè)試結(jié)果影響也不同。當(dāng)玻璃液滴左右偏移,偏移位置不大時(shí),對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小;當(dāng)液滴投影偏移到視野邊緣時(shí),對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大,此時(shí)可以通過調(diào)節(jié)相機(jī)的左右位置,使液滴投影回到視野中心,測(cè)量結(jié)果會(huì)偏小;如果位置偏差過大,可以打開加熱爐爐膛,用鑷子調(diào)節(jié)承托板的位置,使玻璃液滴投影處于視野中心再測(cè)試(此過程注意防止?fàn)C傷)。當(dāng)玻璃液滴位置向承托板前方偏移時(shí),測(cè)量的玻璃液滴體積偏大,密度偏小,導(dǎo)致表面張力測(cè)量結(jié)果偏小,一般偏小1%以內(nèi)。當(dāng)玻璃液滴位置向承托板后方偏移時(shí),測(cè)量液滴體積偏小,密度偏大,表面張力測(cè)量結(jié)果偏大,一般偏大1%以內(nèi)。
3結(jié)論
為了保證玻璃熔體表面張力測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要滿足以下要求:
(1)玻璃試樣應(yīng)為無內(nèi)在質(zhì)量缺陷(氣泡、結(jié)石和條紋等)、化學(xué)組成均勻、具有新鮮表面且無表面沾污的0.2~0.4 g玻璃片/顆粒,不可為玻璃絲/屑;
(2)承托板應(yīng)選取符合GB/T 30071—2013要求的表面平整度小于0.04 mm,粗糙度小于0.02 mm的高純石墨材料,試驗(yàn)時(shí)需通入高純氮?dú)庾鞅Wo(hù)氣體;
(3)承托板應(yīng)與相機(jī)水平線平行、相機(jī)軸線與剛玉托架軸線同心、液滴投影位于相機(jī)視野中心。





