2.2. Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение расплавов и твердых тел отражает действие межмолекулярных сил на частицы поверхностного слоя среды. Для увеличения площади поверхности необходимо затратить работу. Мерой поверхностного натяжения σ, Дж/м² (или Н/м), является работа А, которую необходимо затратить для образования единицы поверхности среды S, σ = A/S. Действие сил поверхностного натяжения направлено на уменьшение площади поверхности.

Поверхностное натяжение промышленных стекол в зависимости от состава может изменяться в пределах от 0,155 до 0,470 Н/м, т. е. оно примерно в 3-4 раза больше поверхностного натяжения воды, водных, растворов, расплавов солей, и сравнимо с поверхностным натяжением металлов (Pb, Bi, Sb).

Высокое значение поверхностного натяжения в сочетании со своеобразным ходом температурной кривой вязкости обусловливает применение таких способов формования, как непрерывное вытягивание листов стекла, выдувание полых изделий, которые совершенно не применимы ни к какому другому материалу.

Поверхностное натяжение мало зависит от температуры. При повышении температуры на 100 ºС поверхностное натяжение щелочно-силикатных стекол снижается на 2-4 % от первоначального. Поверхностное натяжение расплава листового стекла при 1450 ºС составляет 0,29 Н/м.

Действие сил поверхностного натяжения проявляется на различных стадиях технологического процесса. На стадии стеклообразования зерна кварца растворяются в первичном расплаве силикатов. Скорость растворения оказывается тем выше, чем ниже вязкость и поверхностное натяжение. Провар шихты ускоряется при введении в ее состав веществ, понижающих поверхностное натяжение расплава стекломассы, например небольших количеств Na₂SO₄.

При осветлении из расплава стекломассы удаляются пузырьки газов, образовавшиеся в результате термической диссоциации карбонатов, сульфатов, нитратов и других солей на стадии силикатообразования. Для ускорения осветления в состав шихты вводят нитраты, сульфаты, хлориды, аммонийные соли, соединения мышьяка, сурьмы, церия. Они, снижая поверхностное натяжение на границе раздела фаз "газообразная фаза – расплав", способствуют образованию крупных пузырей.

Среди пороков стекломассы наиболее распространенными являются стекловидные включения. Вероятность растворения стекловидных включений в стекломассе зависит от соотношения поверхностных натяжений расплава и включения. Так, например, поверхностное натяжение кремнеземистых свилей меньше, чем поверхностное натяжение стекломассы, в результате чего свили растягиваются в виде пленки и относительно легко растворяются. Поверхностное натяжение глиноземистых свилей выше, чем у стекла, свили принимают шарообразную форму и плохо растворимы в силикатных расплавах.

Поверхностное натяжение имеет большое значение также при эмалировании и глазуровании изделий, в производстве стекловолокна, остеклованных микропроводов, при сварке, спаивании, пропитке материалов. Влияние поверхностного натяжения может быть и отрицательным – округление острых ребер изделий при прессовании, сужение ленты вытягиваемого стекла.

Значительное влияние на поверхностное натяжение оказывает состав стекла. В ряду щелочных элементов Li–Na–К поверхностное натяжение убывает в направлении от лития к калию. Согласно А. А. Аппену при последовательной замене оксидов элементов в рядах Mg–Са–Sr–Ва и Zn–Cd поверхностное натяжение уменьшается (в направлении от магния к барию и от цинка к кадмию). Оксиды ZrO₂ и Аl₂О₃ сильно увеличивают, а В₂О₃, TiO₂, P₂O₅, F понижают поверхностное натяжение.

Cоединения хрома, молибдена, вольфрама, мышьяка, сурьмы, тория, ванадия являются поверхностно-активными. Введение этих компонентов даже в небольших количествах вызывает резкое уменьшение поверхностного натяжения.

Расчет поверхностного натяжения стекол

Поверхностное натяжение характеризует способность поверхности жидкости к самопроизвольному сокращению вследствие действия поверхностных сил и определяется работой, которую необходимо затратить на образование единицы новой поверхности в плоскости раздела двух фаз при постоянной температуре. Единица измерения поверхностного натяжения – Н/м (1 Н/м = 10³ дин/см).

Поверхностное натяжение расплавленных промышленных стекол в интервале 1000-1400 ºС составляет 0,22-0,38 Н/м (220-380 дин/см).

А. А. Аппен классифицировал компоненты по их влиянию на поверхностное натяжение сложных силикатных расплавов на границе с воздухом (см. табл. 2.4).

Коэффициент поверхностного натяжения по Аппену при 1300 ºС может быть рассчитан с точностью ± 1,5 % по формуле

,           (2.3)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения стекла в Н/м;

P_i – содержание в стекле оксида, мол. части;

– парциальный коэффициент натяжения оксидов.

Для ориентировочного определения поверхностного натяжения стекломассы при иных температурах можно пользоваться следующим правилом, рекомендуемым А. А. Аппеном: при повышении температуры на 100 ºС поверхностное натяжение стекломассы уменьшается на 1-2 %. Но это правило справедливо только тогда, когда в стекломассе отсутствуют поверхностно-активные компоненты, к числу которых относятся As₂O₃, V₂O5, WO₃, MoO₃, CrO₃, SO₃.

Пример. Рассчитать по Аппену поверхностное натяжение расплава; состав (мас. %): SiO₂ – 72; Al₂O₃ – 1,5; MgO – 2,5; CaO – 10; Na₂O – 14.

Переводим процентное содержание компонентов в мольные доли делением содержания соответствующего компонента на его молекулярный вес. Состав расплава в мольных долях: SiO₂ – 1,1988; Al₂O₃ – 0,0147; MgO – 0,0620; CaO – 0,1783; Na₂O – 0,2258. Всего 1,6796 моль.

Умножаем соответствующие мольные доли компонентов на их парциальные коэффициенты: