Вязкость стекла

Вязкость стекла

ВЯЗКОСТЬ СТЕКЛА, внутреннее трение стекла. Стекло при обыкновенной температуре по теории Г. А. Таммана представляет собой жидкость, молекулы которой, благодаря огромному внутреннему трению, являются практически неподвижными для коротких промежутков времени. Подогревание стекла до 400—500° вызывает увеличение подвижности молекул, и стекло делается пластичным телом, при воздействии на него силы тяжести медленно принимающим форму сосуда, в котором стекло находится, и изменяющим форму, если оно находится в виде бруска. Дальнейшее подогревание стекла до 900° делает его сиропообразным, но еще весьма вязким, а при температуре около 1500° и выше стекло превращается в жидкость с довольно большой подвижностью частиц. Т. о. внутреннее трение стекла η, или его вязкость, изменяется в интервале от 500 до 1500° в очень широких пределах, в миллиарды раз. Исследования, произведенные в лаборатории Г. А. Таммана, показали, что вязкость стекла η зависит от удельного объема и что при равных удельных объемах вязкость стекла постоянна.

Для практики особенное значение получает изменение вязкости стекла с температурой, т. к. для технической обработки его важно, чтобы с изменениями температуры вязкость стекла изменялась по возможности меньше. Исследования А. Ле-Шателье показали, что вязкость стекла может быть представлена, как функция температуры, следующей эмпирической формулой:

Вязкость стекла

или с изменением, введенным работами П. Лазарева,

Вязкость стекла

где А, В и η0 - постоянные. Для хороших стекол, с которыми удобно производить различные манипуляции, выгодно, чтобы В было по возможности невелико.

Как показано А. Ле-Шателье и затем П. Лазаревым, формулы (1) и, в особенности, (2) превосходно подтверждаются на опыте, и отступления не превосходят ошибок наблюдений. Ниже приведены данные, полученные Стоттом (Stott) для стекла, и вычисленные по формуле Ле-Шателье значения:

Vjazkost stekla 3

Исследования П. Лазарева и его сотрудников показали, что не только стекло, но и всякие вязкие жидкости (растворы желатина в воде, растворы сахара в глицерине, патока и т. д.) показывают при изменении температуры зависимость, выражаемую формулой Ле-Шателье. Теоретическая формула Филлипса, найденная ранее эмпирически А. И. Бачинским, в известном интервале температур совпадает с данными опыта и с формулой Ле-Шателье, однако при более высоких температурах наступает расхождение опытных данных и формулы. Пока лишь одна формула Ле-Шателье охватывает все изменения вязкости стекла при различных температурах и является единственной формулой, которой можно пользоваться на практике.

Если в стекле происходят от повышения температуры внутренние молекулярные перегруппировки и химические реакции и если при определенной температуре t0 стекло приобретает иную аллотропическую модификацию, то получаются следующие соотношения:

Vjazkost stekla 4

Эти соотношения также указаны Ле-Шателье. Как при температурах ниже t0, так и выше t0 между температурой и lglg η существует прямолинейная зависимость, и точка пересечения прямых даст температуру t0.

Как пример зависимости A и B от состава и в то же время как пример аллотропии, укажем на изменение вязкости стекла, по наблюдениям Ле-Шателье, в отношении стекла, имеющего состав 3 SiO2, xСаО, (1—x)Na2O, где х - число, лежащее между 0 и 1. Как показал Ле-Шателье, это стекло, в зависимости от температуры, дает две аллотропические модификации α и β; значения А и В для той и другой выражаются такими числами:

Vjazkost stekla 5

Это обстоятельство важно для промышленности, т. к. позволяет заранее предвидеть, в каком направлении нужно изменить состав стекла, чтобы получить желаемую вязкость стекла.

В настоящее время имеется целый ряд методов определения вязкости стекла. Особенно удобными являются два, которые получили широкое распространение и в наших русских лабораториях (Институт силикатов и Институт физики и биофизики). Первый из этих методов состоит в определении скорости v движения шарика определенных размеров в вязкой среде, причем, при установившихся равномерных движениях в безграничной среде, вязкость η, в зависимости от радиуса шара r, его удельного веса Δ, удельный вес жидкости δ и ускорения силы тяжести g, выражается формулой:

Vjazkost stekla 6

Если наблюдается движение шарика в цилиндрическом сосуде конечных размеров, то требуется, как показал Ладенбург, поправка, пользуясь которой мы можем получить точное значение внутреннего трения жидкости. Для определения вязкости стекла его помещают в неглазурованный фарфоровый цилиндрик, диаметром 3 см и высотой около 10—15 см, и в электрической печи производят расплавление стекла, поддерживая постоянную температуру. Платиновый шарик падает внутри расплавленного стекла по оси цилиндра. Определяя при помощи рентгеновских лучей фотографически или визуально положение шарика в разные моменты внутри цилиндра, можно найти скорость падения шарика и отсюда определить вязкость стекла. Второй метод состоит в том, что в платиновый тигель помещают платиновый же цилиндрик, приводимый в движение падающим грузом, подвешенным к нити, намотанной на вал, который связан с цилиндром. Груз дает движущую силу; зная величину его Р и скорость падения или число n об/мин. цилиндра, можно определить величину внутреннего трения. Как показывают расчеты, η = k∙P/n, где k - величина, определяемая из опытов с веществами, для которых η известна. Этот второй метод является очень пригодным при температурах около 800—1200°. При более высоких температурах, когда стекло делается очень подвижным и маловязким, является более удобным метод падения шарика, который в этом случае дает более точные результаты. Эти два метода имеют много модификаций, которые и применяются на практике. Так, были предложены способы, которые позволяют непосредственно на заводе определять величину вязкости стекла в разных местах горшка, в котором производится плавка стекла.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.