2.玻璃成型工艺原理

当加入二价氧化物时对粘度的影响较为复杂，它们一方面 与碱金属离子一样，给出游离氧使复杂的硅氧阴离子团解 离，使粘度减小，另一方面这些阳离子电价较高、离子半 径又不大，可能夺取原来复合硅氧阴离子团中的氧离子于 自己周围，致使复合硅氧阴离子团“缔合”而粘度增大。
CaO、B2O3、ZnO、Li2O对粘度影响最为复杂。低温时 ZnO、Li2O增加粘度，高温时降低粘度。低温时CaO增加 粘度，高温时含量<10-12%降低粘度，含量>10～12%增 加粘度。低温时B2O3含量<15%增加粘度，含量>15%降低 粘度，高温时降低粘度。
主讲人：焦宇鸿
例2：
已知某玻璃成分为：SiO273%，Na2O15%，CaO 8 %，
MgO 1%，Al2O33%试求粘度为104 时的温度。 解：根据表4-5查得η =104 时的各氧化物特性常数及已知 的氧化物重量百分数代入式(2-3)即可得： tη 104 = -15.37×15-6.25×(8+1)+5.00×3+1194.27≈922℃ 校正：MgO实际含量比3%低2%，查表4-5可知，粘度为 104 时，当1%MgO被1% CaO所取代时，温度将降低5℃，
* SiO2、Al2O3、B2O3使λ增大。 R2O 、 PbO、BaO可降低λ。
*玻璃颜色越深λ越低. (二) 计算
巴里赫尔公式 λ=∑Piλi
主讲人：焦宇鸿
三. 玻璃的热稳定性
定义：玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能。
常用试样在保持不破坏条件下的最大温差T表示。
2.1与玻璃成型有关的性质
2.1.1玻璃状态转化性质 自由流动体：具有液体通性，可自由流动，黏度小于
104.25Pa· s
成型高黏塑性体：受成型控制后，有良好的形态变化，
并能逐渐保持新的成型形态，黏度为104.25-105.75Pa· s
不可成型高黏塑性体：玻璃体有看可塑性，但必须在
主讲人：焦宇鸿
5.黏度的计算方法
（1）奥霍琴法
此法适用于含有MgO、Al2O3的钠钙硅玻璃系统玻璃，当
Na2O在12～16%、CaO+ MgO在5～12%、Al2O3在0～5%、 SiO2在64～80%范围内时，可应用下列公式计算： tη =Ax+By+Cz+D 式中： tη —该粘度值对应的温度 x,y,z—分别是Na2O、CaO + MgO 3%、Al2O3的重量百分数 A,B,C,D—分别为Na2O、CaO + 3%MgO 、Al2O3、SiO2的特 (2-3)
主讲人：焦宇鸿
石英晶体
石英玻璃
钠硅酸盐玻璃
主讲人：焦宇鸿
无规则网络学说的玻璃结构模型
3. 影响玻璃黏度的主要因素
影响熔体黏度的主要因素是温度和化学组成。硅酸盐熔体在
不同温度下的黏度相差很大，可以从102变化至1015 Pa· s；组
成不同的熔体在同一温度下的黏度也有很大差别。在硅酸盐 熔体结构中，有聚合程度不同的多种聚合物交织而成的网络， 使得质点之间的移动很困难，因此硅酸盐熔体的黏度比一般 液体高得多。
段线段组成。
(3)Tg点以上 随温度急剧增大，到Tf时可增三倍。
主讲人：焦宇鸿
二. 玻璃的导热系数 定义：温度梯度为1时，在单位时间内通过试样单位 截面积的热量。 Q=λS Δt/δ（单位：W/m·C 常用：卡/厘米· 秒· 度） (一) 影响因素
* 温度升高λ增大。到软化点Ts时可增大一倍。
A 区：典型的黏性液体 B 区（转变区）：黏度随温 度的下降而迅速增大，还是 时间的函数 C 区：弹性区
主讲人：焦宇鸿
主讲人：焦宇鸿
黏度对应的温度
主讲人：焦宇鸿
化学组成对玻璃黏度的影响
玻璃化学组成与粘度之间存在复杂的关系，氧化物对玻璃 粘度的影响，不仅取决于该氧化物的性质，而且还取决于 它加入玻璃中的数量和玻璃本身的组成。
当加入SiO2、Al2O3、ZrO2等氧化物时，因这些阳离子的 电荷多、离子半径小，故作用力大，总是倾向于形成更为 复杂巨大的阴离子团 ，使粘滞活化能变大，增加玻璃的 粘度。 当引入碱金属氧化物时，因能提供“游离氧”，使原来复 杂的硅氧阴离子团解离，使粘滞活化能变小，降低玻璃的 粘度。
主讲人：焦宇鸿
2.1.2玻璃的黏度
1.定义:黏度又称为粘滞系数，是指抵抗流体（液体或 气体）流动的量度。
将两块面积为1m 的板浸于液体中，两板距离为1米，若加 1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的 黏度为1Pa.s。（公式 P8 2-1）
主讲人：焦宇鸿
f＝ηS dv/dx 式中 f―两层液体间的内摩擦力；
（2-1）
S―两层液体间的接触面积；
dv/dx―垂直流动方向的速度梯度； η―比例系数，称为粘滞系数，简称黏度。单位 是 Pa· s ，或P (泊，1 Pa· s =10P)；黏度的倒数称液 体流动度Φ，即Φ=1/η。
黏度的单位: Pa·s ; 1帕·秒（Pa·s）=10泊（P）。 还有dPa·s（分帕·秒）、cPa·s（厘帕·秒）、mPa·s（毫帕·秒）。 换算关系如下：
性常数，随粘度值而变化，见表2-3。
主讲人：焦宇鸿
例1：
已知某玻璃成分为：SiO274%，Na2O14%，CaO 6 %， MgO 3%，Al2O33%试求粘度为1012 时的温度。
解：根据表2-3查得η=1012 时的各氧化物特性常数及已
知的氧化物重量百分数代入式(4-8)即可得： tη1012 = -7.46×14+3.21×(6+3)+5.52×3+632.9≈573.91℃
2.1.4 玻璃的热学性质
玻璃的热性质包含比热容，热导率，热膨胀系数及透热性等。
一. 玻璃的热膨胀系数
(一)热膨胀现象 常温 高温 质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动） 质点振动幅度增大，质点间距也变大，于是出现 热膨胀现象。 (二)热膨胀系数 1.线膨胀系数，且常用平均值。 = l/l0·1/T 2.体积膨胀系数 =V/V·1/t 3 T= t2-t1 单位： 1/C
较强受理下才有成型的可能，实际已失去成型的可行 性，黏度105.75-108Pa· s
弹性塑体：受力后有形态变化，有可弯性，无厚度成
型性，重新受力有可恢复原有平整状态性能，黏度 108-1011Pa· s
主讲人：焦宇鸿
弹性初态：受力发生断裂。内部指点有很强的滑动性，黏
度1011-1012Pa· s 弹性体转化过程：转化为完全弹性体。黏度1012-1016.5Pa· s
主讲人：焦宇鸿
（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度。 （2）碱金属氧化物降低粘度。 （3）碱土金属氧化物对粘度的作用较为复杂。一方面类 似于碱金属氧化物，能使大型的四面体解聚，引起粘度减 小；另一方面这些阳离子电价较高（比碱金属离子大一 倍），离子半径又不大，故键力较碱金属离子大，有可能 夺取小型四面体群的氧离子于自己周围，使粘度增大。前 者在高温时是主要的，而后者主要表现在低温。碱土金属 离子对粘度增加的顺序一般为： Mg2+ >Ca2+ >Sr2+ >Ba2+ （4）PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。 此外，Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低温粘度，降低高 温粘度的作用。
主讲人：焦宇鸿
2.1.3 表面张力
与其他液体一样，熔融玻璃表面层的质点受到内部
质点的作用而趋向于熔体内部，使表面有收缩的趋势，即玻
璃液表面分子间存在着作用力，即表面张力。硅酸盐玻璃的 表面张力一般为（220~380）×10-3N/m，比水的表面张力 大3~4倍，也比熔融的盐类大，而与熔融金属数值接近。 近代浮法平板玻璃生产原理，也是基于玻璃的表面张 力作用，而获得了可与磨光玻璃表面相媲美的优质玻璃。另 外，玻璃液的表面张力还影响到玻璃液对金属表面的附着作
B T T0 lg A
式中 、 和 可从下式求出： A= -1.4788 Na2O +0.8350 K2O+1.6030 CaO+5.4936 MgO-1.5183 Al2O3+1.4550 B= -6039.7 Na2O -1439.6 K2O-3919.3 CaO+6285.3 MgO+2253.4Al2O3+5736.4 T0= -25.07 Na2O -321.0 K2O+544.3 CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1 （ 注意：式中η值为泊，该体系适应的粘度范围为10到1012Pa•s。实验与计算的 一般偏差为3℃。）
则温度共降低2×5=10℃，因此：
tη 104 = 922.47-10=912℃
主讲人：焦宇鸿
富尔切尔（Fulcher）法 此法适用于实用工业玻璃。其成分以相对于SiO2为 1.00mol含量来表示，即以氧化物的摩尔数/ SiO2摩尔数 表示。计算系统适用玻璃的成分范围为：SiO21.00mol； Na2O0.15~0.20 mol；CaO0.12~0.20 mol； MgO0.00~0.051mol；Al2O30.0015~0.073mol。此时粘 度-温度关系式：
用，同时在玻璃与金属材料和其他材料封接时也有重要作用。
主讲人：焦宇鸿
但是，表面张力有时对某些玻璃制品的生产带来不 利影响。例如在生产压花玻璃及用模具压制的玻璃 制品，其表面图案往往因表面张力作用使尖锐的棱 角变圆，清晰度变差。在生产玻璃薄膜和玻璃纤维 时，必须很好的克服表面张力的作用。在生产平板 玻璃，特别是薄玻璃拉制时要用拉边器克服因表面 张力所引起的收缩。 表面张力在玻璃生产中的应用
黏度是玻璃重要的性质之一，尤其在成型和退火方面 起着控制性的作用。在很多工序中都用黏度作为控制 和衡量的标志。
主讲人：焦宇鸿
温度影响：
Pபைடு நூலகம்0表2-1
玻璃料性：对应于粘度104－108 P时的温度间距。
10Pa· s（或更低）-1011Pa· s黏 度范围内，玻璃的黏度与化学 组成与温度有关，从1011-1014 （或更高）的范围内，黏度还 是时间的函数
玻璃常用 10-7 /C
主讲人：焦宇鸿
温度和的关系
(1)不同T的不同。对要指明温度段。 例：Na2O 15% 温度C 20~100 CaO 10% 20~200 SiO2 75% 20~300 20~400
10-7 1/C
89
91
93.5
96
(2)一般T增大则增大，Tg点以下~t曲线基本由数
主讲人：焦宇鸿
4.黏度在生产中的应用
在生产中玻璃的熔化、澄清、均化、供料、成型、退火等 工艺过程的温度制度，一般都是以其对应的粘度为依据制 定的，因此掌握粘度的变化规律对控制生产提高制品产量、 质量是有利的。
主讲人：焦宇鸿
（2）平板玻璃 在成形过程中，首先玻璃的粘度必须满足要求，使制品能 快速冷却通过成形温度范围，防止玻璃析晶。 在平板玻璃成形中，一般必须确定一个“操作点” ，作为 参照点。“操作点”的定义是，相当于粘度约为103 的温 度，它处于成形温度的上限。另一参考温度点 为成形温度 范围的下限，相当于粘度约为106.6 的温度，即玻璃的软化 点。 在平板玻璃生产控制和变更玻璃成分时，必须善于应用 、 和 （液相温度）这些参考点。
1Pa· s=10dPa· s=100 cPa· s=1000 mPa· s
主讲人：焦宇鸿
2. 黏度与熔体结构的关系
玻璃的黏度与熔体结构密切相关，而熔体结构又决定于玻
璃的化学组成和温度。 熔体的结构特点： 1. 熔体中有许多聚合程度不同的负离子团平衡共存 2. 负离子团形状不规则，短程有序 3. 负离子团的种类、大小随熔体组成及温度的变化而变化 4. 离子半径大而电荷小的氧化物课时硅氧基团出现断裂， 负离子团变小 5. 某些情况下会产生分相 硅酸盐熔体中存在大小不同的硅氧四面体活络和阴离子， 熔体中存在较大的空隙，可使小型的四面体群穿插移动。 熔体中碱金属和碱土金属以离子状态R+,R2+存在。影响玻 璃黏度。
表面张力在浮法玻璃成型中的应用
表面张力在连续纤维成型中的应用
表面张力在其他方面的应用
主讲人：焦宇鸿
作业2： 1.黏度是什么？玻璃黏度与温度的关系，关键黏度 对应的温度点有哪些？ 2.黏度在玻璃生产中的应用有哪些？ 3.普通平板玻璃黏度如何知道？ 4.表面张力在玻璃生产中的应用有哪些？
主讲人：焦宇鸿