一种玻璃粘度的测试方法与流程

本发明属于玻璃粘度的测试技术领域，涉及一种玻璃粘度的测试方法。

背景技术：

玻璃的现代定义非常广泛，凡是具有玻璃化转变过程的非晶材料都可以称之为玻璃，所以玻璃包括玻璃、玻璃纤维、部分高分子材料等。粘度是决定玻璃生产的关键性能，玻璃的粘度-温度曲线能直接指导产品生产及应用研究。

由于玻璃从液态到玻璃化转变区间通常会有约10¹⁵pa·s的粘度变化，而目前为止还没有一种仪器能一次性直接测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围的变化，通常需要至少三种以上设备去测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围，其中高温旋转粘度仪通常能测量10～10⁷pa·s，平板粘度仪通常能测量10⁴～10¹⁰pa·s，三点弯曲粘度仪通常能测量10¹⁰～10¹⁵pa·s。这三种仪器都是采用直接法，通过玻璃所受到的应力和应变率去计算玻璃的粘度。

此外，上述玻璃粘度测试的仪器价格昂贵，而且多数粘度仪在使用过程中还会出现铂金损耗，额外增加了使用成本。

因此，研究一种能一次性测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围的测试方法具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中至少需要三种以上设备去测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围的问题，提供一种玻璃粘度的测试方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种玻璃粘度的测试方法，先确定玻璃的粘度脆性系数mvis和玻璃化转变温度tg，再利用myega粘度模型计算得到玻璃在温度t时对应的粘度η，计算公式如下：

其中，t为玻璃粘度所对应的温度，tg是玻璃化转变温度，mvis为经校正的粘度脆性系数；

mvis和tg的确定过程为：

首先以n个不同的升降温速率q对玻璃样品进行热处理得到n条长度变化率-温度变化曲线，n≥5，一个q为10℃/分钟，其他q在1～30℃/分钟的范围内随机分布(“随机分布”是个数学概念)；

然后对n条长度变化率-温度变化曲线进行数学处理得到n个假想温度tf，以q为10℃/分钟时得到的tf作为tg；

接着由n个q和n个tf经公式计算得到线膨胀活化能ea，由ea、气体常数r和tg经公式计算得到线性热膨胀脆性系数mdil；

最后由mdil经公式mvis＝1.289(mdil-14.97)+14.97计算得到mvis；

式中，tg、t和tf的单位为℃，eu的单位为kj/mol，r的单位为j·k^-1·mol^-1。本发明的方法可直接测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围，测量精度能达到±10^0.4pa·s，且成本低，操作简单，并能额外获得玻璃的热膨胀系数。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种玻璃粘度的测试方法，热处理前将玻璃样品加热至玻璃线性热膨胀软化点td±10℃保温2～5分钟，以消除玻璃的热历史，热处理过程分为两速率相同的降温阶段和升温阶段(通常先降温后升温)。

如上所述的一种玻璃粘度的测试方法，降温阶段的终止温度为25±10℃，升温阶段的终止温度为td±10℃。

如上所述的一种玻璃粘度的测试方法，数学处理的步骤如下：

(1)根据对n条长度变化率-温度变化曲线进行处理得到n条热膨胀系数-温度变化曲线，其中，α为热膨胀系数，δl/l为长度变化率，δt为温度变化率；

(2)取温度区间[t1-δti,t1]对应的长度变化率-温度变化曲线段，对其进行线性拟合得到粗实线a，取温度区间[t2-δtj,t2]对应的长度变化率-温度变化曲线段，对其进行线性拟合得到粗实线b，t1为热膨胀系数最大值对应的温度，单位为℃，δti为5～10℃，t2为位于热膨胀系数-温度变化曲线上的热膨胀系数维持不变段且最靠近玻璃化转变区间的点对应的温度，单位为℃，δtj为50～200℃；

(3)对粗实线a和粗实线b进行延长至相交，交点对应的温度即为tf。

如上所述的一种玻璃粘度的测试方法，线性拟合采用excel、origin或igor软件，本发明进行线性拟合的软件包括但不仅限于这几种，其他具有线性拟合功能的软件也可用于本发明。

有益效果：

(1)本发明的一种玻璃粘度的测试方法，能直接通过样品线性热膨胀性能测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围，测量精度可以达到±10^0.4pa·s，能与三点弯曲粘度仪达到相同的精度；

(2)本发明的一种玻璃粘度的测试方法，操作简单，成本较低；

(3)本发明的一种玻璃粘度的测试方法，还能同时获得测试样品的热膨胀系数，粘度和热膨胀系数的同时获取，对一些特殊的应用，比如电子产品等的封接玻璃具有重要意义；

(4)采用本发明的一种玻璃粘度的测试方法能直接获得玻璃所需的最关键参数，为实验研究和工业生产提供重要技术参数。

附图说明

图1为硼硅酸盐样品长度变化率(图中实线)和热膨胀系数(图中虚线)随温度变化的曲线；

图2为硼硅酸盐样品粘度随温度变化曲线，其中圆点代表利用三点弯曲粘度仪测得的粘度实验数据，虚线代表利用本发明的方法得到的粘度曲线；

图3为磷硅酸盐样品粘度随温度变化曲线，其中圆点代表利用高温旋转粘度仪测得的粘度实验数据，虚线代表利用本发明的方法得到的粘度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种玻璃粘度的测试方法，先确定玻璃的粘度脆性系数mvis和玻璃化转变温度tg，再利用公式计算得到玻璃在温度t时对应的粘度η；具体如下：

(1)确定假想温度tf；

(1.1)将玻璃样品加热至玻璃线性热膨胀软化点td±10℃保温2～5分钟；

(1.2)以n个不同的降温/升温速率q对玻璃样品进行热处理得到n条长度变化率-温度变化曲线，q在1～30℃/分钟的范围内随机分布；其中，热处理过程分为两速率相同的降温阶段(终止温度为25±10℃)和升温阶段(终止温度为td±10℃)；

(1.3)对n条长度变化率-温度变化曲线进行数学处理得到n个假想温度tf；其中，数学处理的步骤如下：

(1.3.1)根据对n条长度变化率-温度变化曲线进行处理得到n条热膨胀系数-温度变化曲线，其中，α为热膨胀系数，al/l为长度变化率，δt为温度变化率；

(1.3.2)取温度区间[t1-δti,t1]对应的长度变化率-温度变化曲线段，对其进行线性拟合(采用excel、origin或igor软件)得到粗实线a，取温度区间[t2-δtj,t2]对应的长度变化率-温度变化曲线段，对其进行线性拟合得到粗实线b，t1为热膨胀系数最大值对应的温度，单位为℃，δti为5～10℃，t2为位于热膨胀系数-温度变化曲线上的热膨胀系数维持不变段且最靠近玻璃化转变区间的点对应的温度，单位为℃，δtj为50～200℃；

(1.3.3)对粗实线a和粗实线b进行延长至相交，交点对应的温度即为tf，tf的单位为℃；

(2)确定mvis(经校正的粘度脆性系数)；

(2.1)将n个预先获取的不同降温/升温速率q条件下的假想温度值tf代入公式计算得到线膨胀活化能eu，eu的单位为kj/mol，r是气体常数，r的单位为j·k^-1·mol^-1；

(2.2)计算得到线性热膨胀脆性系数mdil，且

式中，tg是玻璃化转变温度，tg取降温/升温速率q为10℃/分钟时得到的假想温度tf值，单位为℃；

(2.3)校正得到mvis：mvis＝1.289(mdil-14.97)+14.97；

(3)将上述得到的tf和mvis代入下面的myega公式计算得到玻璃在温度t时对应的粘度η；所述的myega公式为：

其中，粘度η的单位为pa·s，t为玻璃粘度所对应的温度，单位为℃。

将上述的测试方法分别用于测试硼硅酸盐样品(组分为70wt％sio2、12wt％b2o3、10wt％na2o、8wt％其他)和磷硅酸盐样品(组分为26wt％p4o10、25wt％cao、21wt％b2o3、12wt％sio2、16wt％其他)在温度t时对应的粘度η，其中，各参数的设定见下表1～2，硼硅酸盐样品长度变化率(图中实线)和热膨胀系数(图中虚线)随温度变化的曲线如图1所示，硼酸盐样品粘度随温度变化曲线如图2所示，磷硅酸盐样品粘度随温度变化曲线如图3所示，图2中，圆点代表利用三点弯曲粘度仪测得的粘度实验数据，图3中，圆点代表利用高温旋转粘度仪测得的粘度实验数据，图2～3中虚线代表利用本发明的方法得到的粘度曲线，将实验数据与本申请中的测试数据进行对比，可以看出，本申请中计算得到的粘度与实验数据接近，本申请的玻璃粘度的测试方法能直接通过样品线性热膨胀性能测量玻璃10～10¹⁵pa·s粘度范围，测量精度可以达到±10^0.4pa·s，能与三点弯曲粘度仪达到相同的精度。本申请的方法操作简单，成本较低；粘度和热膨胀系数的同时获取，对一些特殊的应用，比如电子产品等的封接玻璃具有重要意义。

表1硼硅酸盐样品的参数表

表2磷硅酸盐样品的参数表