13/14. Изучение строения и свойств силикатных и оксидных расплавов.
Основной операцией в производстве силикатных и других тугоплавких материалов является высокотемпературная обработка, в процессе которой твердые вещества могут полностью (технология стекла, эмалей, глазурей, огнеупоров) или частично (портландцементный клинкер, фарфор, фаянс, шамотные или динасовые огнеупоры и т.д.) переходить в расплав.
Плавление - это процесс перехода материалов из твердого состояния в жидкое под действием температуры. Плавление кристаллических веществ является фазовым переходом, связанным со скачкообразным изменением внутреннего строения и физико-механических свойств. Это эндотермический процесс, характеризующийся скрытой теплотой плавления, т.е. количеством тепла, которое необходимо сообщать веществу, нагретому до температуры плавления с тем, чтобы его расплавить. Процесс плавления вещества рассматривается с позиций молекулярно-кинетической теории, как зависящий от накопления в нем вакансий. Ионы отрываются от кристаллического тела и наступает переход вещества в новое агрегатное состояние-жидкость. Если с повышением температуры кристаллическая решетка сильно расширяется и химические связи в ней быстро разрываются, то в кристалле вблизи точки плавления возникают хаотичные микро участки жидкой фазы. Она при температурах, превышающих температуру плавления, переходит в легкоподвижную жидкость.
Высокая температура плавления силикатов и других оксидов, используемых в технологии неметаллических неорганических материалов, осложняет исследование их строения в расплавленном состоянии.
Другим фактором, затрудняющим изучение расплавов силикатов, является их высокая вязкость, превышающая вязкость нормальных жидкостей и вызывающая трудность достижения равновесия между расплавом и газовой фазой согласно таблице 1.
Если охлаждать жидкости, то по мере приближения к температурам их кристаллизации они приобретают сходство с кристаллическими телами. Вблизи точки плавления большинство жидкостей близко к кристаллическому состоянию.
Небольшая разница в удельных объемах жидкого и твердого состояния (~10%) свидетельствуют о небольшом различии межатомных расстояний в жидком и кристаллическом состояниях.
Таблица 1.
Вязкость силикатов и неорганических веществ Вещество |
Температура, 0С |
Вязкость, дециПа · С |
Вода |
20 |
0,01 |
Сера |
160 |
0,4 |
Медь |
1550 |
0,02 |
Железо |
1550 |
0,06 |
Техническое стекло |
1400 |
103-105 |
Натриевый полевой шпат |
1400 |
104-105 |
Калиевый полевой шпат |
1400 |
105-108 |
Кварцевой стекло |
2000 |
106 |
1. Свойства силикатных и оксидных расплавов. Вязкость.
На скорость высокотемпературных процессов синтеза разнообразных силикатных и тугоплавких неметаллических материалов главное влияние оказывают вязкость расплава и подвижность ионов в нем. Скорость и полнота химических реакций зависят от скорости диффузии ионов в силикатном расплаве и его вязкости. Чем больше вязкость, тем меньше скорость диффузионных процессов, меньше скорость реакции и роста кристаллов. Большое значение имеет вязкость жидкой фазы в процессе получения материалов путем спекания. При производстве стекла вязкостью расплава определяется режим обработки материала на всех стадиях технологической схемы производства. Вязкость характеризует силу внутреннего трения жидкости и определяется уравнением Ньютона.
F = η * U1 – U2 * S ,
X
где F – приложенная сила,
η – коэффициент пропорциональности (вязкость),
U1 – U2 – скорость движения 1-го и 2-го слоя,
X – расстояние между слоями,
S – поверхность соприкосновения слоев.
Из этого уравнения следует, что
η = F / S ,
dU / dX
где dU / dX – градиент скорости движения.
Методы определения вязкости расплавов силикатов и оксидов сводятся к оценке перемещения погруженных в расплав тел, в том числе платинового конуса с углом при вершине 1360.
На вязкость расплавов оказывают влияние два фактора: температура и состав расплава. С повышением температуры вязкость силикатных расплавов падает, а при их охлаждении-возрастает. Силикатные расплавы являются много-компонентными, состоящими из ряда оксидов или оксидных соединений в разных соотношениях и доведенных до состояния плавления. Вязкость измеряется в Па/с. Ранее был принят 1 пуаз (П). (1П=0,1 Па*с). С увеличением содержания кремнезема и глинозема вязкость увеличивается.
Катионы-модификаторы, разрушающие кремне- и алюмокислородные анионы, способствуют уменьшению вязкости. Наиболее сильно понижают вяз-кость щелочные катионы, а в меньшей степени-двухвалентные. Чем меньше сила поля катиона, тем больше он понижает вязкость.