Свойства стекломассы (расплава)
Стекломасса представляет собой расплав смеси сырьевых материалов. Свойства стекломассы определяются ее химическим составом и температурой.
К свойствам стекломассы относят вязкость, кристаллизацию и поверхностное натяжение. Именно эти свойства определяют технологические процессы изготовления стеклоизделий: варку, формование и отжиг стекла.
Вязкость. Свойство пластичных материалов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой в результате возникновения между ними сил внутреннего трения называется вязкостью. Она характеризуется коэффициентом внутреннего трения и измеряется в пуазах П (Па·с). Например, вязкость воды при 20° С равна 0,01 П, стекломассы при температуре ее осветления (1500° С) 100 П, затвердевающего стекла 1013—1015 П. Вязкость стекломассы, определяющая ее подвижность, решающим образом влияет на скорость протекания процессов варки стекла и в особенности на формование стеклоизделий.
Свойство стекломассы постепенно увеличивать вязкость с уменьшением температуры позволяет изготовлять изделия самыми различными способами и разных конфигураций. В начале выработки стекло пластично и может принять при определенном усилии любую форму; к концу выработки вязкость его увеличивается и изделие затвердевает настолько, что оно способно сохранить форму при дальнейшей обработке и транспортировании.
Формование большинства изделий механизированными способами происходит при вязкости 103—108 П.
Температурный интервал, в котором вязкость равна 103—108 П, называется областью рабочей вязкости стекла. В зависимости от скорости нарастания вязкости при понижении температуры различают «длинные» и «короткие» стекла.
Вязкость стекла зависит также от химического состава стекла, правда, в меньшей степени, чем от температуры. Щелочные и щелочноземельные окислы, такие, как Li2O, Na2O, K2O, ВаО, а также РbО, как правило, понижают вязкость стекла при всех температурах, SiO2, Al2O3, ZrO2 повышают ее. Некоторые окислы оказывают сложное влияние на вязкость стекла: например, СаО при низких температурах повышает вязкость, при высоких температурах в небольших количествах (до 8—10%) снижает вязкость, а в больших количествах увеличивает ее.
Вязкость стекломассы довольно высокая по сравнению с вязкостью других расплавов. При температуре варки 1480... 1500°С вязкость стекломассы составляет 11 Па·с (у стали при 1400°С - 0,00025 Па·с, у воды при 20°С - 0,001 Па·с). Вязкость стекла при комнатной температуре 10м Па·с.
В различных диапазонах вязкость измеряют по-разному. В интервале 10 ... 105 Па·с для этого используют вискозиметры (вязкость определяют по сопротивлению, которое испытывает вращающийся цилиндр или шарик, помещенный в расплав и подвешенный на закручивающейся нити); в интервале 105 ... 107 Па·с - определяют по удлинению нагретой стеклянной нити под действием определенного усилия; 107 ... 1013 Па·с - по удлинению нагретой стеклянной палочки или посредством вдавливания в стекло индентора под определенной нагрузкой.
Наибольшее влияние на вязкость стекла оказывает температура. По мере ее снижения вязкость увеличивается и особенно резко при температурах ниже 900°С. Так, при изменении температуры стекломассы для производства листового стекла на каждые 10 °С в интервале 1500 ... 1400°С вязкость снижается на 5 ... 10 %, в интервале 1000 ... 1200°С - на 25 %, а в интервале 500 ... 600°С — увеличивается в два раза.
Вязкость стекла — важнейшая технологическая характеристика, оказывающая большое влияние на параметры процесса варки стекла, формирования изделий, их отжига и закалки.
Интервал формования изделий из стекла различными способами находится в пределах 102 ... 108 Па·с. По характеру изменения вязкости от температуры стёкла принято подразделять на «длинные» и «короткие», т. е. при одинаковых интервалах вязкости температурный интервал формования в первом случае будет 250 ... 500°С, а во втором — 100 ... 150°С.
Химический состав стекла влияет на изменение вязкости в меньшей степени, чем температура, однако из всех физико-химических свойств вязкость особенно сильно зависит от изменения химического состава. Повышают вязкость стекла диоксид циркония, оксиды алюминия, кремния, понижают - оксиды натрия, калия, лития, свинца, бария. Борный ангидрид и оксид кальция оказывают сложное влияние на изменение вязкости стекла. При высоких температурах борный ангидрид значительно снижает вязкость стекла, тогда как при низких температурах введение B2O3 до 15 % повышает вязкость, а дальнейшее увеличение содержания B2O3 понижает вязкость. Оксид кальция при низких температурах повышает вязкость. При высоких температурах и содержании в стекле 8 ... 10 % СаО вязкость понижается, а при увеличении содержания оксида кальция - повышается.
Большую роль в увеличении производительности труда при формовании изделий из стекла играет скорость его затвердевания, т. е. изменение вязкости во времени. Особенно важно иметь высокую скорость затвердевания при производстве листового стекла безлодочным способом, непрерывном прокате листового стекла. В то же время при выработке сложных изделий больших размеров способом прессования (банки аккумуляторных сосудов) стекло должно твердеть медленно.