影響座滴法測量玻璃熔體表面張力準(zhǔn)確性因素分析

引言表面張力是物質(zhì)重要的物理參數(shù)之一，是多相（固、液、氣）系統(tǒng)重要的界面性質(zhì)。玻璃熔體表面張力在玻璃制品生產(chǎn)過程中有重要意義，特別是在玻璃澄清、均化、成型（形）、加工等過程中，均發(fā)揮著顯著作用。表面張力的測試方法主要包括動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。動(dòng)態(tài)法是通過測量液體（熔體）決定某一過程特征的數(shù)值來計(jì)算表面張力，主要包括毛細(xì)管波法和震蕩射流法，通常在表面張力隨時(shí)間變化較快時(shí)用動(dòng)態(tài)法測量，如震蕩射流法測定的時(shí)間變化可以小到1ms左右。目前，動(dòng)態(tài)測量方法因方法尚不完善導(dǎo)致測量誤差大，因而實(shí)際應(yīng)用很少。在實(shí)際生產(chǎn)中，主要使用靜態(tài)法來測量液體（熔體）的表面張力，靜態(tài)法是根據(jù)測定液體（熔體）某一狀態(tài)下的特征數(shù)值來計(jì)算表面張力的，主要包括電磁懸浮法、滴外形法、滴重法、毛細(xì)管上升法、最大泡壓法、拉筒法、旋滴法等。但大多靜態(tài)測量方法只適用于常溫或者200℃以下液體（熔體）的表面張力測量，能夠測量高溫液體（熔體）的主要有最大泡壓法、電磁懸浮法、座滴法和懸滴法。但由于玻璃熔體高溫且黏度大的特點(diǎn)，導(dǎo)致氣泡難控制，并且高溫下的玻璃熔體呈現(xiàn)紅熱狀態(tài)，難以觀察氣泡形態(tài)，故最大泡壓法不適用于玻璃熔體表面張力的測量。由于玻璃的高溫熔體不具有磁性能，電性能也不佳，故電磁懸浮法不能用來測量玻璃熔體的表面張力。座滴法和懸滴法均適用于玻璃熔體表面張力的測量，但懸滴法需已知玻璃熔體高溫密度，且對(duì)裝置要求較高，容易造成較大測量誤差，故目前座滴法是測量玻璃熔體表面張力的常用方法。座滴法測量玻璃熔體表面張力（1）測試原理座滴法是基于熔體（液體）在水平托板表面形成穩(wěn)定橢球液滴的形狀參數(shù)測量表面張力的方法。基于座滴法測量玻璃熔體表面張力，玻璃熔體在水平托板上受重力和表面張力共同作用形成旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱橢球（圖1），橢球表面任一點(diǎn)的壓力差與表面張力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系見式（1）：

圖1座滴形狀解析圖（2）測量裝置座滴法表面張力測量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，由測量軟件、攝像系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、承托板、樣品、托架、熱電偶、光源、氣體系統(tǒng)構(gòu)成。1.測量軟件；2.攝像系統(tǒng)；3.加熱系統(tǒng)；4.承托板；5.樣品；6.托架；7.熱電偶；8.光源；9.氣體系統(tǒng)圖2座滴法表面張力測量裝置示意圖（3）測試步驟開啟與試驗(yàn)裝置相關(guān)電源，設(shè)置試驗(yàn)溫度，開始升溫，達(dá)到試驗(yàn)溫度后，打開氣體系統(tǒng)，通入保護(hù)氣體；用電子天平稱量試樣質(zhì)量，記為m，單位為g；將托架快速移出加熱爐管，將承托板放置在托架上，將試樣放置于承托板中央，然后將托架移入加熱爐，使其復(fù)位（注意：此過程防止?fàn)C傷）；在試驗(yàn)溫度下將試樣加熱30min，使試樣轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的橢球狀液滴（圖1），調(diào)整相機(jī)使橢球狀液滴處于視像中心，拍攝獲取橢球狀液滴圖像；計(jì)算系統(tǒng)對(duì)橢球狀液滴圖像進(jìn)行分析，獲得試驗(yàn)溫度下的試樣體積V，單位為cm3，然后根據(jù)試樣質(zhì)量m，計(jì)算得到玻璃熔體密度ρ，單位為g/cm3；在計(jì)算系統(tǒng)中輸入玻璃熔體密度ρ，通過表面張力計(jì)算軟件即可獲得玻璃熔體表面張力值σ。影響準(zhǔn)確性因素分析（1）玻璃試樣本身的影響玻璃試樣要保證化學(xué)組成的均勻性，且內(nèi)部不能包含缺陷（氣泡、結(jié)石和條紋等）。如有氣泡會(huì)導(dǎo)致玻璃熔體體積失真。氣泡中的氣體受熱會(huì)進(jìn)一步膨脹，使玻璃液滴體積增大，導(dǎo)致玻璃液滴在測試溫度下的密度偏低，最終影響玻璃熔體表面張力的測試結(jié)果。玻璃條紋和結(jié)石等缺陷也是玻璃成分不均的表現(xiàn)，在受熱條件下影響玻璃熔體液滴形態(tài)，導(dǎo)致無法獲得中心旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的玻璃液滴，因此應(yīng)選擇無內(nèi)在質(zhì)量缺陷的玻璃。（2）承托板材質(zhì)和表面質(zhì)量的影響承托板在測試過程中與玻璃熔體產(chǎn)生直接接觸，承托板材質(zhì)首先要滿足測試溫度的要求，符合玻璃熔體測試溫度要求并易獲得的材質(zhì)有鉑銠合金、石英、剛玉和石墨。材料表面與玻璃熔體產(chǎn)生潤濕與非潤濕問題，潤濕能力由相鄰兩相的自由表面能決定，用表面張力的大小來表示。當(dāng)固體、液體和氣體三者之間相互作用力達(dá)到平衡時(shí)，就必須服從式（4）：

在相同溫度條件下探究石英材質(zhì)、剛玉材質(zhì)和石墨材質(zhì)對(duì)玻璃熔體潤濕的影響，結(jié)果如圖3所示。玻璃熔體與石英薄片和剛玉薄片潤濕鋪展，而石墨薄片不潤濕鋪展，故石墨可作為測量玻璃熔體表面張力的承托板材料。此外石墨材料也要有足夠的光滑度，表面質(zhì)量差的石墨承托板會(huì)對(duì)玻璃熔體成球形狀產(chǎn)生影響。就工業(yè)生產(chǎn)的高純石墨材料產(chǎn)品而言，要選取符合GB/T30071—2013要求的表面平整度小于0.04mm，粗糙度小于0.02mm的高純石墨材料。

圖3不同材質(zhì)承托板對(duì)玻璃熔體潤濕的影響石墨在高溫下易氧化，如圖4所示，氧化會(huì)破壞高純石墨承托板的表面平整度，影響玻璃熔體成球形狀，進(jìn)而影響玻璃液滴體積測量，最終導(dǎo)致表面張力測量誤差。為了避免高純石墨承托板氧化以及玻璃試樣在高溫熔融狀態(tài)下氧化的問題，須在試樣放進(jìn)加熱爐前通入保護(hù)氣，因?yàn)榉菢O性分子對(duì)玻璃熔體表面張力的影響最小，非極性分子有氮?dú)狻⒑?、氫氣等，而氮?dú)饬畠r(jià)且易得，選用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣。考慮到爐管直徑與體積，轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)置為1～3L/min，大致能夠滿足每分鐘3～10倍的氣體置換，使?fàn)t內(nèi)形成正壓，氧氣不會(huì)滲入爐內(nèi)，防止石墨承托板氧化，保護(hù)氣體充滿整個(gè)加熱爐的同時(shí)不會(huì)氣流過大，將試樣吹落。圖4石墨承托板氧化示意圖（3）裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響承托板與相機(jī)水平線平行性的影響。承托板與相機(jī)水平線不平行，表現(xiàn)為測量的玻璃液滴高度與液滴實(shí)際高度有誤差，誤差較大時(shí)影響玻璃液滴體積的測量，導(dǎo)致計(jì)算的玻璃液滴密度偏差較大，進(jìn)而直接影響表面張力的測量結(jié)果。相機(jī)軸線與剛玉托架軸線是否同心的影響。相機(jī)軸線相較剛玉托架的軸線向左右兩邊有偏移時(shí)，玻璃液滴的投影雖然仍在相機(jī)視野中心，但是實(shí)際上玻璃液滴并沒有在剛玉托架的中心位置。偏心距離小于2mm時(shí)，相機(jī)視野中看不出有變化；偏心距離超過2mm時(shí)，相機(jī)視野的輪廓發(fā)生扭曲，可以肉眼辨別出來。當(dāng)偏心距離在2mm以內(nèi)時(shí)，測得的表面張力較真實(shí)值偏小，偏差范圍在1%以內(nèi)。液滴投影是否位于相機(jī)視野中心的影響。相機(jī)軸線與剛玉托架的軸線基本同心，但是樣品在放置或者成球過程中位置不在承托板的中心位置，偏移位置的不同對(duì)測試結(jié)果影響也不同。當(dāng)玻璃液滴左右偏移，偏移位置不大時(shí)，對(duì)測量結(jié)果影響較??；當(dāng)液滴投影偏移到視野邊緣時(shí)，對(duì)測量結(jié)果影響較大，此時(shí)可以通過調(diào)節(jié)相機(jī)的左右位置，使液滴投影回到視野中心，測量結(jié)果會(huì)偏??；如果位置偏差過大，可以打開加熱爐爐膛，用鑷子調(diào)節(jié)承托板的位置，使玻璃液滴投影處于視野中心再測試（此過程注意防止?fàn)C傷）。當(dāng)玻璃液滴位置向承托板前方偏移時(shí)，測量的玻璃液滴體積偏大，密度偏小，導(dǎo)致表面張力測量結(jié)果偏小，一般偏小1%以內(nèi)。當(dāng)玻璃液滴位置向承托板后方偏移時(shí)，測量液滴體積偏小，密度偏大，表面張力測量結(jié)果偏大，一般偏大1%以內(nèi)。結(jié)論為了保證玻璃熔體表面張力測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要滿足以下要求：（1）玻璃試樣應(yīng)為無內(nèi)在質(zhì)量缺陷（氣泡、結(jié)石和條紋等）、化學(xué)組成均勻、具有新鮮表面且無表面沾污