2影響準確性因素分析

2.1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，且內部不能包含缺陷（氣泡、結石和條紋等）。如有氣泡會(huì )導致玻璃熔體體積失真，如圖3所示。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果。玻璃條紋和結石等缺陷也是玻璃成分不均的表現，在受熱條件下影響玻璃熔體液滴形態(tài)，導致無(wú)法獲得中心旋轉軸對稱(chēng)的玻璃液滴，因此應選擇無(wú)內在質(zhì)量缺陷的玻璃。

圖3含有氣泡的玻璃液滴

玻璃試樣的尺寸大小及外觀(guān)形貌也極為重要。玻璃試樣應為0.2～0.4 g的玻璃顆粒/片，不可為玻璃絲或玻璃屑，應獲取相對新鮮的表面，表面不能有沾污。獲取玻璃試樣應該選擇大塊玻璃進(jìn)行錘擊破碎，使之破碎成多棱角玻璃顆粒，玻璃片應通過(guò)劃痕方式掰斷，不可通過(guò)研磨的方式來(lái)獲取玻璃顆粒，因為在研磨過(guò)程中，玻璃顆粒表面會(huì )產(chǎn)生大量劃痕和表面沾污，這些劃痕及粘附在玻璃試樣表面的雜質(zhì)均會(huì )影響玻璃熔體表面張力的準確測量。

2.2承托板材質(zhì)和表面質(zhì)量的影響

承托板在測試過(guò)程中與玻璃熔體產(chǎn)生直接接觸，承托板材質(zhì)首先要滿(mǎn)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(wèn)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(lái)表示［9］。當固體、液體和氣體三者之間相互作用力達到平衡時(shí)，就必須服從式（4）：

式中：ss.g——固-氣界面上的表面張力；

ss.l——固-液界面上的表面張力；

sl.g——液-氣界面上的表面張力；

q——潤濕角（接觸角）。

圖4為玻璃潤濕示意圖。如果液體（熔體）和固體間的表面張力很大時(shí)，趨向于收縮成球狀以減少兩相界面，潤濕角q也較大，q＞90°，稱(chēng)為液相不潤濕固相；q＜90°，稱(chēng)為液相潤濕固相。

圖4玻璃潤濕示意圖

由于潤濕問(wèn)題首先可排除鉑銠合金材料，在實(shí)驗室熔制玻璃常用鉑銠合金坩堝，鉑銠合金與玻璃熔體呈潤濕狀態(tài)，如圖5所示，玻璃熔體呈扁平狀不能成球。

圖5鉑銠合金與玻璃熔體潤濕示意圖

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)對玻璃熔體潤濕的影響，結果如圖6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［11］。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/T 30071—2013要求的表面平整度小于0.04 mm，粗糙度小于0.02 mm的高純石墨材料［12］。

圖6不同材質(zhì)承托板對玻璃熔體潤濕的影響

石墨在高溫下易氧化，如圖7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(wèn)題，須在試樣放進(jìn)加熱爐前通入保護氣，因為非極性分子對玻璃熔體表面張力的影響最小，非極性分子有氮氣、氦氣、氫氣等，而氮氣廉價(jià)且易得，選用氮氣作保護氣?？紤]到爐管直徑與體積，轉子流量計設置為1～3 L/min，大致能夠滿(mǎn)足每分鐘3～10倍的氣體置換，使爐內形成正壓，氧氣不會(huì )滲入爐內，防止石墨承托板氧化，保護氣體充滿(mǎn)整個(gè)加熱爐的同時(shí)不會(huì )氣流過(guò)大，將試樣吹落。

圖7石墨承托板氧化示意圖

2.3裝置調節系統的影響

2.3.1承托板與相機水平線(xiàn)平行性的影響

承托板與相機水平線(xiàn)不平行，表現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，導致計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果。

2.3.2相機軸線(xiàn)與剛玉托架軸線(xiàn)是否同心的影響

相機軸線(xiàn)相較剛玉托架的軸線(xiàn)向左右兩邊有偏移時(shí)，玻璃液滴的投影雖然仍在相機視野中心，但是實(shí)際上玻璃液滴并沒(méi)有在剛玉托架的中心位置。偏心距離小于2 mm時(shí)，相機視野中看不出有變化；偏心距離超過(guò)2 mm時(shí)，相機視野的輪廓發(fā)生扭曲，可以肉眼辨別出來(lái)。當偏心距離在2 mm以?xún)葧r(shí)，測得的表面張力較真實(shí)值偏小，偏差范圍在1%以?xún)取?

2.3.3液滴投影是否位于相機視野中心的影響

相機軸線(xiàn)與剛玉托架的軸線(xiàn)基本同心，但是樣品在放置或者成球過(guò)程中位置不在承托板的中心位置，偏移位置的不同對測試結果影響也不同。當玻璃液滴左右偏移，偏移位置不大時(shí)，對測量結果影響較??；當液滴投影偏移到視野邊緣時(shí)，對測量結果影響較大，此時(shí)可以通過(guò)調節相機的左右位置，使液滴投影回到視野中心，測量結果會(huì )偏??；如果位置偏差過(guò)大，可以打開(kāi)加熱爐爐膛，用鑷子調節承托板的位置，使玻璃液滴投影處于視野中心再測試（此過(guò)程注意防止燙傷）。當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，導致表面張力測量結果偏小，一般偏小1%以?xún)?。當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，表面張力測量結果偏大，一般偏大1%以?xún)取?

3結論

為了保證玻璃熔體表面張力測試結果的準確性，需要滿(mǎn)足以下要求：

（1）玻璃試樣應為無(wú)內在質(zhì)量缺陷（氣泡、結石和條紋等）、化學(xué)組成均勻、具有新鮮表面且無(wú)表面沾污的0.2～0.4 g玻璃片/顆粒，不可為玻璃絲/屑；

（2）承托板應選取符合GB/T 30071—2013要求的表面平整度小于0.04 mm，粗糙度小于0.02 mm的高純石墨材料，試驗時(shí)需通入高純氮氣作保護氣體；

（3）承托板應與相機水平線(xiàn)平行、相機軸線(xiàn)與剛玉托架軸線(xiàn)同心、液滴投影位于相機視野中心。