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第4章 玻璃的粘度及表面性质 4.1玻璃的粘度 在重力、机械力和热应力等的作用下，玻璃液（或玻璃熔体）中的结构组元（离子或离子组团）相互间发生流动。如果这种流动是通过结构组元依次占据结构空位的方式来进行，则称为粘滞流动。当作用力超过“内摩擦”阻力时，就能发生粘滞流动。 粘滞流动用粘度衡量。粘度是指面积为的两平行液面，以一定的速度梯度移动时需克服的内摩擦阻力。 （4-1） 式中： —粘度或粘滞系数 —两平行液面间的接触面积 —沿垂直于液流方向液层间速度梯度 粘度是玻璃的一个重要物理性质，它贯穿于玻璃生产的全过程。在熔制过程中，石英颗粒的溶解、气泡的排除和各组分的扩散都与粘度有关。在工业上，有时应用少量助熔剂降低熔融玻璃的粘度，以达到澄清和均化的目的。在成形过程中，不同的成形方法与成形速度要求不同的粘度和料性。在退火过程中，玻璃的粘度和料性对制品内应力的消除速度都有重要作用。高粘度的玻璃具有较高的退火温度，料性短的玻璃退火温度范围一般较窄。 影响玻璃粘度的主要因素是化学组成和温度，在转变区范围内，还与时间有关。不同的玻璃对应于某一定粘度值的温度不同。例如粘度为1012时，钠钙硅玻璃的相应温度为560℃左右，钾铅硅玻璃为430℃左右，而钙铝硅玻璃为720℃左右。 在玻璃生产中，许多工序（和性能）都可以用粘度作为控制和衡量的标志（见表4-1）。使用粘度来描述玻璃生产全过程较温度更确切与严密，但由于温度测定简便、直观，而粘度和组成关系的复杂性及习惯性，因此习惯上用温度来描述和规定玻璃生产工艺过程的工艺制度。 4.1.1粘度与温度关系 由于结构特性的不同，因而玻璃熔体与晶体的粘度随温度的变化有显著的差别。晶体在高于熔点时，粘度变化很小，当到达凝固点时，由于熔融态转变成晶态的缘故，粘度呈直线上升。玻璃的粘度则随温度下降而增大。从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变化的，其间没有数值上的突变。 所有实用硅酸盐玻璃，其粘度随温度的变化规律都属于同一类型，只是粘度随温度的变化速率以及对应于某给定粘度的温度有所不同。图4-1表示两种不同类型玻璃的粘度—温度曲线。这两种玻璃随着温度变化其粘度变化速率不同，称为具有不同的料性。曲线斜率大的玻璃B属于“短性”玻璃；曲线斜率小的玻璃A属于“长性”玻璃。如果用温度差来判别玻璃的料性，则差值ΔT越大，玻璃的料性就越长，玻璃成形和热处理的温度范围就越宽广，反之就狭小。 图4-2是Na2O-CaO-SiO2玻璃的弹性、粘度与温度的关系曲线。图中分三个区。在A 区因温度较高，玻璃表现为典型的粘性液体，它的弹性性质近于消失。在这一温度区中粘度仅决定于玻璃的组成与温度。当温度进入B区（温度转变区），粘度随温度下降而迅速增大，弹性模量也迅速增大。在这一温度区，粘度（或其他性质）除决定于组成和温度外，还与时间有关。当温度继续下降进入C区，弹性模量进一步增大，粘滞流动变得非常小。在这一 温度区，玻璃的粘度（或其他性质）又仅决定于组成和温度，而与时间无关。上述变化现象可以从玻璃的热历史加以说明。 4-1粘度与特性温度的关系 工艺流程 相应的粘度 /Pa·s 温度/℃ 最大范围 一般范围 以Na2O-CaO-SiO2玻璃为例 1.澄 清 10 1000～1550 1200～1400 1460 2.成型 开始成型 机械供料 吹料 落料 吹制成型 压制成型 制品出模 102～103 10 103 102.7～103.7 102.6～105 106 850～1350 1000～1100 1070～1230 800 3.热处理及其它 开始结晶 结晶过程 软化温度 烧结温度 变形温度 退化上限温度 应变温度 退化下限温度 103 104～105 106.5～107 108～109 109～1010 1012 1013.5 1014 580～915 550～650 1070 870～960 640～680 510 410 从液体的结构可知，液体中各质点之间的距离和相互作用力的大小均与晶体接近，每个质点都处于周围其他质点键力作用之下，即每个质点均是落在一定大小的势垒（）之中。要使这些质点移动（流动），就得使它们具有足以克服该势垒的能量。这种活化质点（具有大于能量的质点）数目越多，液体的流动度就越大；反之流动度就越小。按波尔兹曼分布定律，活化质点的数目与成比例。则液体的流动度可表示为：