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影响纤维成型的因素3
发布时间:2008-12-12   浏览次数:

表面张力

表面张力是指液体与另一相接触的相界面上(一般指液—气相界面),在恒温、恒容积下增加一个单位面积所需作的功。通常用σ表示,单位为10-3 N/m。硅酸盐玻璃液的表面张力一般为0.2200.380N/m

玻璃澄清过程中,表面张力越大,玻璃液中气泡长大和上升排出的速度越慢;反之则越快。玻璃液中条纹及节瘤扩散和溶解的速度也取决于条纹玻璃和基玻璃的表面张力的相对大小。富Si02的条纹玻璃的表面张力小,就容易扩散开来并渐渐消失,富A1203RO的条纹玻璃的表面张力比基玻璃的大,就不易散开并消失。

玻璃纤维成形时,漏嘴出口处的丝根之所以保持成新月形状,就是玻璃液向上的表面张力和向下的粘性牵伸力平衡的结果。如果表面张力太大,而相对地讲粘度太小,则由于向上的表面张力占优势而将丝根向回缩成液滴状,中断了纤维成形过程。所以,现代熔体拉丝理论中,习惯将熔体的表面张力与熔体拉丝温度下的粘度的比值作为该熔体拉丝难易的一种度量,叫熔体可纺性指标。有些熔体,如金属熔体,其表面张力为0.7001.000N/m,但拉丝时的粘度只有0.010.10Pa·s,可纺性指标能达102103cm/s,所以用这种金属熔体以常规方法无法拉丝,只能看到从漏嘴滴下一滴滴金属熔珠。一般有机合成纤维或化学纤维的聚合物熔体,其表面张力为0.0300.080N/m,而成形粘度为(15)×102 Pa·s,所以它们的可纺性指标为10-210-1cm/s,因而拉丝过程中就不容易形成液滴而断掉。玻璃纤维介于上述两者之间,其表面张力为0.2200.380N/m,粘度为 101.5101.6 Pa·s,所以玻璃的可纺性指标为2×10-1 8×10-1。因此,玻璃纤维成形过程中,形成液滴而断掉的机会就比合成纤维的多些。从这里也可以看出,总是希望玻璃熔体的表面张力尽可能低些好。

影响玻璃液表面张力的因素主要是温度、玻璃成分和气氛。

温度对玻璃液表面张力的影响不太大。一般,随着温度升高,表面张力降低,两者几乎成线性关系。实际上可以认为,温度每提高100℃,表面张力减小1%

玻璃中各种组成氧化物对表面张力有不同的影响。物质中互相之间吸引力愈小时,表面张力也愈小。因此,碱金属氧化物减小表面张力。碱金属离子的被极化程度愈大,也就是离子半径愈大时,降低表面张力的作用愈大,如K20。石英玻璃的表面不出现Si4+离子,只有那些形成完整程度不等的[Si04]四面体的氧离子,于是氧离子较大的极化率就决定了石英玻璃有较大的表面张力。对于B203玻璃,玻璃表面上是一些[B03]三角形的平面基团,垂直于该平面上的作用力是很小的,因此[B03]基团的排列与表面平行,所以B2O3,熔体的表面张力很小。 A1203CaOMgO能提高表面张力,这是因为它们有较小的离子极化率。还有一些氧化物,只要有少量存在,就能显著降低表面张力,故被称之为表面张力活性剂。属于这类氧化物的有V205W03Mo03Sb2O3As203等。例如在玻璃中引入1%V205,可以使表面张力下降10%左右。因此,有时在与玻璃液接触的耐火材料中加入少量的V205,能有助于防止耐火材料侵蚀产物形成的条纹。阴离子团对表面张力的影响,一般认为F-会降低表面张力,而OH-基对表面张力没有什么影响。

从以上所述可见,B2O3,是降低表面张力的有效氧化物。B203的引入也有利于降低析晶上限温度,降低粘度,提高玻璃纤维的弹性和化学稳定性。E玻璃的表面张力约为0.250N/mC玻璃的表面张力约为0.300N/m,就是因为E玻璃成分中有8%左右的 B203国际上用的一种C玻璃成分,叫C玻璃,其中也引入了4%7%B203

表面张力既然是液相-气相界面上的一种物理现象,那么气氛同样对表面张力有影响。例如,有的研究者研究了玻璃在不同介质气氛下的表面张力,发现空气中有水气存在时能显著降低表面张力。因此,在比较先进的拉丝工艺中,都注意到要向漏嘴下的丝根区供送一定温度和饱和湿度的冷空气,以降低并稳定表面张力。

来源:玻纤情报网
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