Илья Мельников - Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты
Вязкость в сильной степени зависит от температуры. На рис.3 приведена кривая изменения вязкости в зависимости от температуры.
В зависимости от скорости нарастания вязкости при понижении температуры в области формования различают «длинные» и «короткие» стекла. Область рабочей вязкости стекла для «длинных» стекол лежит в температурном интервале приблизительно 450-500 градусов С, для «коротких» – 220-250 градусов С. Температурная область формования имеет большое значение при стеклодувных работах. «Длинные» стекла, например, позволяют производить больше операций за определенный промежуток времени, так как они медленнее затвердевают.
Вязкость стекла зависит от химического состава стекла, хотя и в меньшей степени, чем от температуры. Щелочные и щелочноземельные окислы как правило понижают вязкость стекла при всех температурах, но некоторые повышают ее. Ряд окислов оказывает сложное влияние на вязкость стекла. К примеру, СаО при низких температурах повышает вязкость, а при высоких температурах в небольших количествах (до 8-10%) существенно снижает вязкость, а в больших количествах увеличивает ее. При замене СаО на MgO вязкость стекла при высоких температурах увеличивается. Оксид цинка ZnO, особенно при высоких температурах, часто понижает вязкость стекла. Сложно влияет на вязкость борный ангидрит, а именно: при низких температурах при введении примерно до 15 процентов ингредиента вязкость стекла повышается, при дальнейшем увеличении содержания борного ангидрита вязкость уменьшается; при высоких температурах борный ангидрит понижает вязкость стекла.
Скорость твердения. Скорость твердения стекол характеризуется изменением вязкости в зависимости от температуры и времени.
При выработке стеклоизделий большое значение имеет скорость твердения стекол. Технологический режим формования стеклоизделий строится так, чтобы процесс придания изделию геометрической формы происходил при пластичном состоянии стекла (соответствующих значениях вязкости), а к окончанию процесса формования необходимо, чтобы стекло затвердевало и без задержки можно было бы перемещать его на последующую обработку. Существует правило, что чем быстрее стекло затвердевает, тем быстрее его следует вырабатывать, и наоборот. Это правило лежит в основе выбора типа стекол для формования стеклоизделий различными способами.
На скорость твердения влияют изменение температуры, формы и размер изделия, а также химический состав стекла, а также химический состав стекла: оксиды, повышающие вязкость, как правило, повышают и скорость твердения стекла, соответственно, оксиды, понижающие вязкость стекла, понижают и скорость твердения. Большое влияние на скорость твердения стекла оказывают окрашивающие оксиды – NiO, FeO, CoO, СuO и др. Они понижают теплопрозрачность стекломассы и скорость твердения сильно изменяется: чем меньше теплопрозрачность, тем более неравномерно охлаждаются и твердеют стекла – быстрее с поверхности и медленнее внутри.
Кроме того, скорость твердения зависит от формы и размера изделий зависит от формы и размера изделий – чем крупнее изделие и чем меньше его поверхность, тем медленнее оно остывает и затвердевает; от первоначальной температуры стекла – чем она выше, тем быстрее стекло охлаждается и твердеет; от теплоемкости и теплопроводности стекол, а также от их способности излучать тепловые лучи.
Для выработки художественных изделий ручным выдувным способом требуются стекла с малой скоростью твердения.
Поверхностное натяжение – характеристика межмолекулярного взаимодействия в жидкости; оно равно отношению силы, действующей в плоскости, касательной к поверхности жидкости (в сторону ее сокращения), на элемент контура, ограничивающего эту поверхность, к длине этого элемента. Поверхностное натяжение измеряется в Н/м и зависит от химической природы жидкости и температуры, уменьшаясь с повышением температуры. Поверхностное натяжение расплавленных стекол при температуре 1000-1400 градусов С составляет 0,22-0,38 Н/м. При изменении температуры на 100 градусов С поверхностное натяжение изменяется всего на 1-2%. Поверхностное натяжение расплавленной стекломассы в 3-4 раза превышает поверхностное натяжение воды.
В технологии стекла поверхностное натяжение играет существенную роль, так как при варке стекла оно влияет на удаление пузырей и на однородность стекломассы. Величина поверхностного натяжения в значительной мере определяет рост газового пузыря и тем самым подъемную силу пузыря и скорость его удаления из стекломассы. Поверхностными явлениями обусловлено появление варочной пены, ее устойчивость.
Влияет оно и на скорость перемещения и растворения в стекломассе свилей – сотообразных или пучкообразных сплетений отдельных слоев стекломассы, отличающихся по химическому составу. Если поверхностное натяжение стекла свили больше поверхностного натяжения основного стекла, то свиль стремится принять шарообразную форму, что затрудняет ее растворение, а если поверхностное натяжение основного стекла больше поверхностного натяжения стекла свили, то свиль будет стремиться растянуться в пленку и охватить собой основную массу стекла.Снижение поверхностного натяжения достигается введением в стекло поверхностно-активных компонентов; таким путем можно добиться снижения натяжения на 25-30%. Незначительное влияние на поверхностное натяжение обычных промышленных стекол оказывает также изменение температуры.
Поверхностным натяжением определяются такие процессы обработки, как термическое полирование поверхности, горячая отрезка колпачка и оплавление края изделий.
Кристаллизационная способность стекол. Кристаллизационной способностью стекла называется склонность его к кристаллизации. Кристаллизация при производстве стекла, т.е. те температурные пределы, внутри которых они могут закристаллизоваться, а также скорость этой кристаллизации необходимо знать, чтобы установить оптимальные режимы варки стекла и выработки качественных изделий. Особенно важное значение имеют кристаллизационные свойства при проведении стеклодувных работ.
Кристаллизация стекла начинается с возникновения мелких кристаллов, не видимых вооруженным глазом. Затем при определенных благоприятных условиях эти кристаллы могут расти, достигая значительных размеров – до нескольких сот микрон и больше. Первое явление, связанное с образованием центров кристаллизации, получило название способности кристаллизации; второе, связанное со скоростью роста кристаллов, получило название скорости кристаллизации. Эти явления взаимосвязаны, наличие этих двух факторов приводит к заметной кристаллизации стекла. Характер кристаллизации зависит от соотношения скорости роста кристаллов и скорости образования центров кристаллизации. Если скорость роста кристаллов будет высокой, в стекле будут расти одиночные кристаллы или кристаллические сферолиты. Но если скорость роста кристаллов мала, а скорость образования кристаллизационных центров велика, в стекле образуется множество мелких кристаллов.
Температура оказывает значительное влияние на кристаллизацию стекла. Существует такая температура, выше которой кристаллизация происходить не может; она называется температурой верхнего предела кристаллизации. Температура, ниже которой также невозможна кристаллизация, называется температурой нижнего предела кристаллизации. При температурах выше верхнего предела кристаллизации кристаллы растворяются в расплаве; при температурах ниже нижнего предела кристаллизации они не образовываются из-за повышенной вязкости стекла. На рис.5 приведены кривые зависимости способности кристаллизации (кривая 1) и скорости кристаллизации (кривая 2 ) от температуры.
Заштрихованный участок показывает область температур, в которой совпадают оба явления кристаллизации; именно она представляет наибольшую опасность с точки зрения возникновения кристаллизации. В практике производства стекла режим устанавливают таким образом, чтобы за возможно более короткий срок преодолеть эту область температур и не дать стеклу закристаллизоваться.
Кристаллизация стекла зависит от определенных факторов, к которым относятся химический состав стекла, вязкость стекла, вид применяемого сырья, взаимная растворимость отдельных компонентов, продолжительность выдерживания расплава при определенных температурах, условия термической обработки стекломассы. Влияние отдельных окислов носит сложный характер и зависит от конкретного состава стекла. Существует ряд закономерностей, которых придерживаются при определении состава стекла. Известно, что увеличение числа компонентов ведет к уменьшению склонности стекла к кристаллизации. Следует иметь в виду, что склонность к кристаллизации при замене одних окислов другими уменьшается с повышением вязкости стекла в температурной области кристаллизации.
