SU1138705A1

SU1138705A1 - Vitreous substance surface tension determination method

Info

Publication number: SU1138705A1
Application number: SU833642811A
Authority: SU
Inventors: Виктор Валерьевич Петров
Original assignee: Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова
Priority date: 1983-08-03
Filing date: 1983-08-03
Publication date: 1985-02-07

Description

1 Изобретение относитс к исследов H1-UO физико-химических свойств поверхностей стеклообразных тел и может найти применение в физической химии поверхностных влений дл определени абсолютной величины поверх ностного нат жени стеклообразных тел в области их разм гчени - переходной между твердым и жидким состо нием . Знание поверхностного нат жени { d ) разм гченных стеклообразных тел важно в научном отношении, так как позвол ет получить информацию о структуре поверхностного сло и об изменени х, происход щих в струк туре при переходе ихиз жидкого состо ни в твердое и наоборот, что также не ходимо дл анализа и совершенствовани технологических процессов эмалировани , гор чей обработки металлов давлением с применением стеклосмазки . Известен способ определени силы п верхностного нат жени твердых тел методом нулевой ползучести, основанньй на раст жении локалйзованно участка (перешейка радиусом Гр ) прот женного цилиндрического образ ца, подвешенного на неподвижное коромысло весов и измерении реакции опоры L в момент прекращени деформации образца, приведенного в соприкосновение с опорой tO Расчет нат жени производ т по формуле 6 (P-L-)/Jfro , где Р - в нижней части образца. Однако этот способ дает значител ную погрешность измерений при силь ном разм гчении образца. Погрешнос св зана с необратимой деформацией верхней части образца, что про вл с в неконтролируемом и существенном перетекании тела через пере шеек из верхней в нижнюю часть. Известен способ определени поверхностного нат жени жидкостей по методу сид щей капли, заключаю щийс в образовании капли жидкости на подложке и определении ее ге ометрических параметров, по которы вычисл ют поверхностное.нат жение Недостатком данного способа вл етс его неприменимость к стеклообразным веществам, характеризующимс большой в зкостью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс способ определени поверхностного 52 нат жени стеклообразных веществ, заключающийс визмерении веса цилиндрического стержн до и после погружени в исследуемое вещество в жидком состо нии СзЗ. Способ заключаетс в том, что на подставку устанавливают сосуд, наполненный до краев жидкостью, измер ют при различных температурах разность веса (F ) цилиндрического стержн радиуса г,. смачиваемого жидкостью и не взаимодействующего с ней, до и после его контакта с жидкостью в момент прекращени перемещени жидкости по стержню, определ ют угол смачивани 0 между ними, а расчет нат жени производ т по формуле d F/2 | г С05в Недостатком известного способа вл етс его неприменимость к изучению затвердевающих жидкостей, что св зано с затруднением перемещени значительного объема затвердевающей жидкости по стержню. Целью изобретени вл етс повышение информативности способа путем расширени температурного диапазона его использовани . Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу определени поверхностного нат жени стеклообразных веществ, заключающемус в измерении веса цилиндрического стержн до и после погружени в исследуемое вещество в жидком состо нии, взвешенный стержень погружают в каплю исследуемого вещества, нанесенную на несмачиваемую подложку после определени веса погруженного стержн понижают температуру до загустевани исследуемого вещества, формируют цилиндрический перешеек между стержнем и каплей выт гиванием погруженного стержн из капли, понижают температуру до затвердеван и исследуемого вещества, отдел ют каплю с перешейком на стержне от ; подложки, устанавливают заданную температуру, привод т каплю в соприкосновение с подложкой, дополнительно измер ют вес стержн с каплей в контакте с подложкой после достижени его стационарного значени , измер ют радиус перешейка и по получен 1ьгм данным определ ют по верхностное нат жение.1 The invention relates to the investigation of the H1-UO physicochemical properties of the surfaces of glassy bodies and may find application in the physical chemistry of surface phenomena to determine the absolute value of the surface tension of glassy bodies in the softening region, the transition between solid and liquid states. The knowledge of the surface tension (d) of softened glassy bodies is important scientifically, since it allows one to obtain information about the structure of the surface layer and about changes in the structure during the transition from the liquid state to the solid state and vice versa, which also It is necessary to analyze and improve technological processes of enameling, hot metal forming using glass lubricant. A known method for determining the strength of surface tension of solids by the method of zero creep, based on a localized stretch of the area (neck Radius Gr) of an extended cylindrical specimen suspended on a fixed balance beam and measuring the response of the support L at the moment the specimen deforms into contact. with support tO The tension calculation is made according to the formula 6 (PL -) / Jfro, where P is in the lower part of the sample. However, this method gives a significant measurement error when the sample is strongly softened. The error is associated with the irreversible deformation of the upper part of the sample, which is manifested in uncontrolled and substantial flow of the body through the neck of the neck from the upper to the lower part. The known method for determining the surface tension of liquids by the sitting drop method consists in forming a drop of liquid on the substrate and determining its geometrical parameters, based on which the surface tension is calculated. The disadvantage of this method is its inapplicability to glassy substances characterized by a large zkost. The closest in technical essence to the present invention is a method for determining the surface tension of glassy substances 52, which consists in measuring the weight of a cylindrical rod before and after immersion in a test substance in a liquid C3 system. The method consists in placing a vessel filled to the brim with liquid on a stand, measuring at different temperatures the difference in weight (F) of a cylindrical rod of radius r ,. wetted by and not interacting with it, before and after its contact with the liquid at the moment the fluid moves along the rod stops, the wetting angle 0 between them is determined, and the tension is calculated using the formula d F / 2 | g C05b A disadvantage of the known method is its inapplicability to the study of solidifying liquids, which is associated with the difficulty of moving a significant amount of solidifying liquid along the rod. The aim of the invention is to increase the information content of the method by expanding the temperature range of its use. The goal is achieved in that according to the method of determining the surface tension of glassy substances, which involves measuring the weight of a cylindrical rod before and after immersion in a test substance in a liquid state, a suspended rod is immersed in a drop of the test substance deposited on a non-wetted substrate after determining the weight of the immersed rod lower the temperature until the test substance thickens, form a cylindrical isthmus between the rod and the drop by pulling the submerged rod n out of the drop, lower the temperature until solidified and the test substance, separate the drop with the necks on the rod from; substrates, set the desired temperature, bring the drop into contact with the substrate, additionally measure the weight of the rod with the drop in contact with the substrate after reaching its stationary value, measure the isthmus radius and determine the surface tension from the 1-m data.

33

Использование стеклообразного вещества в виде капли ограниченного объема, которую помещают на специальную подложку, выполненную из матриала , несмачиваемого жидкостью, позвол ет при сильном загустевании тела со сформированным перешейком отдел ть каплю от подложки и использовать дл нахождени поверхностного нат жени метод нулевой ползчести .The use of a vitreous substance in the form of a droplet of limited volume, which is placed on a special substrate made of material that is not wetted by a liquid, allows for a strong thickening of the body with a formed isthmus to separate the droplet from the substrate and use the zero creep method to find the surface tension.

Предлагаемый способ реализуетс следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Тонкий цилиндрический стержень предпочтительно небольшим радиусом г 0,5/1,0 мм из твердого материала , не взаимодействующего с.исследуемым жидким телом и смачиваемый им в изучаемом диапазоне температур (например, из металла, кварца, корунда и т.п. ) подвещивают на неподвижное коромысло весов и измер ю его вес Р . Предварительно на не взаимодействующую и несмачиваемую жиким телом горизонтальную подложку (например, из графита, карбонитрида или алюмонитрида бора) помещают под стержень каплю, объем которой ограничен и превышйет объем шара радиусом г, равным радиусу стержн в k (-1-,- - J4-) раз. Нижний предеA thin cylindrical rod, preferably with a small radius g of 0.5 / 1.0 mm, from a solid material that does not interact with the liquid body under investigation and is wetted by it in the temperature range under study (for example, from metal, quartz, corundum, etc.) is illuminated by fixed balance beam and measuring its weight P. Preliminarily, a horizontal substrate (for example, made of graphite, carbonitride or boron aluminitride) that is not interacting with a non-wetted body and placed under a rod is placed a drop under the rod, the volume of which is limited and exceeds the volume of the ball with the radius r equal to the rod radius of k (-1 -, - J4- ) times. Bottom limit

С| Г- C | G-

обеспечивает превышение веса капли Р v-p g (где V - объем капли, j - плотность, g - ускорение свободного падени ) над силой смачивани F6 2/Г| 6 cos е , чтобы капл под действием силы поверхностного нат жни$ . не отделилась от подложки. Дл иллюстрации подставим йаксимально возможные значени величин, вход щих .в F (cos 0 l,,d 650 дин/см) и сравним с весом капли, имеющей минимальный объемprovides the excess weight of the drop P v-p g (where V is the drop volume, j is the density, g is the acceleration of free fall) over the wetting force F6 2 / G | 6 cos e, to drop under the action of the force of surface tension $. not separated from the substrate. To illustrate, we substitute the maximum possible values of the quantities entering. In F (cos 0 l ,, d 650 dyne / cm) and compare with the weight of a drop having a minimum volume

m;n. -3- 57r5( . f, 2 г/смМ. РЙ, 271 г 650.1с 4100мдин; (1/2г2)(4ТГгЗ 3/3) (2.-10Ч oi 2:(4200г ) дин, т.е. Р „,п 7 (lci)m«.Верхний предел объема капли обусловлен временем достижени равновеси . Затем устанавливают температуру вьшге интервала разм гчени тела, привод т каплю в соприкосновение со стержнем и, после достижени рановеси , когда прекращает перемещатьс жидкость по стержню, определ ют новый вес стержн , разность веса F и угол смачивани 9 междуm; n. -3 57r5 (. F, 2 g / cmM. RJ, 271 g 650.1s 4100mdin; (1 / 2g2) (4TGZ 3/3) (2.-10H oi 2: (4200g) dyn, i.e. P The upper limit of the droplet volume is determined by the time it reaches equilibrium. Then the temperature is set to the outside of the body softening interval, the droplet is in contact with the rod and, after reaching equilibrium, when the liquid stops moving along the rod, it is determined New rod weight, weight difference F and wetting angle 9 between

8705487054

стержнем и жидким телом; после этого по известному радиусу стержн г рассчитывают величину поверхностного нат жени по формулеcore and liquid body; thereafter, the surface tension is calculated from the formula

(р COS0 .(p COS0.

Далее снижают температуру вплоть до загустевани капли, фиксиру анаО логично F и 9 , получают температурную зависимость нат жени из области жидкого состо ни . Следующим этапом выт гивают из загустевшей капли стержень (отвод подложкуNext, the temperature is reduced until the drop thickens, fixing anaO logical F and 9, and the temperature dependence of the tension from the liquid state region is obtained. The next step is to pull a rod out of a thickened drop (tap

5 или поднима весы) и формируют тем самым цилиндрический перешеек радиусом г (0,1-1,0) г и высотой (2-5 ) Го дл последующего определени силы нулевой ползучести переQ шейка. Нижний предел радиуса перешейка примен етс дл стержней большого радиуса, верхний - дл стержней малого радиуса, так, чтобы радиус перешейка составл л предпочтительно (0,5-1,0) мм, что обеспечивает наибольшую производительность измерений. Затем снижают температуру до затвердевани тела, отдел ют от подложки каплю (поднима весы или опуска подставку). Далее при тем .пературе ниже интервала разм гчени привод т твердую каплю в соприкос-. ,новение с подложкой (перемеща весы или подставку с малой скоростью ). Под действием веса капли перешеек начинает раст гиватьс и по вл етс реакци опоры, котора преп тствует перемещению и измен ет показани весов. После достижени равновеси (показани весов пере-5 or lift weights) and thereby form a cylindrical isthmus with a radius of r (0.1–1.0) g and a height (2–5) of Gu for subsequent determination of the zero-creep force of the neck. The lower limit of the isthmus radius is applied for rods of large radius, the upper one for rods of small radius, so that the necks of the isthmus are preferably (0.5-1.0) mm, which ensures the greatest measurement performance. Then the temperature is reduced until the solidification of the body, a drop is separated from the substrate (raising the scale or lowering the stand). Further, at that temperature below the softening interval, a solid drop is brought into contact. , innovation with substrate (moving scales or stand at low speed). Under the weight of the droplet, the isthmus begins to stretch and a support reaction appears, which interferes with the movement and changes the balance indications. After reaching equilibrium (the reading of the balance

0 стают измен тьс ), когда достигаетс нулева ползучесть перешейка, определ ют по снимку радиус перешейка и вес стержн с каплей в контакте с подложкой при равновесии Pj . Расчет поверхностного нат жени производ т по фо змуле0 are changed), when the isthmus creep reaches zero, the radius of the isthmus and the weight of the rod with a drop in contact with the substrate at equilibrium Pj are determined from the picture. The surface tension is calculated according to the formula

d(P - Ь)/7Гг, ( .d (P - b) / 7Гг, (.

0 где Р - вес капли.0 where P is the weight of the drop.

Далее повышают температуру вплоть до разжижени капли и в фиксированных ее значени х аналогично определ ют величину ё , получа температурную зависимость нат жени из области твердого состо ни .Further, the temperature is increased up to the drop dilution and, in its fixed values, the value of e is determined in a similar way, obtaining the temperature dependence of the tension from the solid state region.

Приме р.Определ ют поверхностное нат жение стеклообразного тет 5 рабората натри (NajOZB Oj) в ин тервале разм гчени (520-610С) следующим образом. Медный цилиндрич ский стержень радиусом г 0,75 мм подвешивают на неподвижное коромыс ло весов (механоэлектрический датчик МП-Л-ТС-3). Вес фиксируют на с мописце ЭП11-09-МЗ. На подложку из алюмонитрида бора помещают каплю исследуемого тела весом 0,6147 г. При , опуска весы, привод т стержень в соприкосновение с капле и в ра:вновесии измер ют силу вт гивани F 93,5 дин и угол смачив ни О 21,5°, т.е. 6 F /21( г cos,e 93,,140,,93 213 дин/ Аналогично, при снижении температуры вплоть до 510°С получают зависимость 6 - t °, экспериментальны данные приведены в таблице. Далее, дл облегчени формировани перещейка повышают температуру до и, медленно поднима весы, образуют цилиндрический перешеек между каплей и стержнем.Радиус Го 0,75 мм, высота перешейка /j2,5 мм (,2 Гр ). Затем сни/ . жают температуру до и поднима весы, отдел ют каплю от подложки . При привод т твердую каплю в соприкосновение с подложкой и в равновесии измер ют реакцию опоры ,3 дин и рассчиты-г вают значение нат гивани (р ,6247 г 602,8 дин): d ,({ -1)/Лг„ (602,8-541,5)/3,14х хО,075 260 дин/см. Аналогично,при повьш1ении температуры до 620°С получают зависимость и - t°, данные приведены в таблице. Обе серии замеров дают согласующиес результ аты в интервале разм гчени тетрабората натри (54057о с ).При понижении температуры ошибка определени поверхностного нат жени известным способом возрастает и измерени станов тс невозможными при температуре ниже 510°C.Examples: The surface tension of glassy sodium tetraborate (NajOZB Oj) in the softening interval (520-610С) is determined as follows. A copper cylindrical rod with a radius of 0.75 mm is suspended from a fixed beam of the balance (mechanic-electric sensor MP-L-TS-3). The weight is fixed on with the copier EP11-09-МЗ. On a boron aluminitride substrate, a drop of the test body weighing 0.6147 g is placed. When the scale is lowered, the rod is brought into contact with the drop and in ra: equilibrium is measured by the retraction force F 93.5 dyn and the wetting angle O 21.5 °, i.e. 6 F / 21 (g cos, e 93,, 140,, 93 213 dyn / Similarly, if the temperature drops to 510 ° C, a 6 - t ° relationship is obtained, the experimental data are given in the table. Further, to facilitate the formation of a perisum, the temperature is increased radius Go 0.75 mm, height of the isthmus / j2,5 mm (, 2 Gy). Then lower the temperature and then lift the scale, separate the droplet from substrates. When a solid drop is brought in contact with the substrate, the support reaction is measured in equilibrium, 3 dyn and the calculated The value of tension is (p, 6247 g, 602.8 dyn): d, ({-1) / Lg "(602,8-541,5) / 3,14 х хO, 075 260 dyne / cm. Similarly, when temperatures up to 620 ° C give the dependence and -t °, the data are shown in Table. Both series of measurements give consistent results in the softening range of sodium tetraborate (54057 ° C). As the temperature decreases, the error in determining the surface tension in a known manner increases and the measurements become impossible at temperatures below 510 ° C.

Замер, № 1 23456Measurement, No. 1 23456

F, дин 93,5 94,6 94,9 96,7 99,5 103,8 cos 9 0,930 0,930 0,924 0,9240,918 0,918 213 216 1-2 11 10 9 87 553,3 552,1 550,7 548,4 544,4 541,5.F, din 93.5 94.6 94.9 96.7 99.5 103.8 cos 9 0.930 0.930 0.924 0.9240.918 0.918 213 216 1-2 11 10 9 87 553.3 552.1 550.7 548.4 544.4 541.5.

210 215 221210 215 221

218 222 230 240 218 222 230 240

260260

248.248.

231231

Claims

(54> (57 HLUSES FOR DETERMINING SURFACE TENSION OF GLASSY SUBSTANCES, which consists in measuring the weight of a cylindrical rod before and after immersion in a test substance in a liquid state, characterized in that, in order to increase the information content of the method by expanding the temperature range of its use, a suspended rod is immersed in a drop of the test substance deposited on an non-wettable substrate, after determining the weight of the immersed rod, lower the temperature until the test substance thickens, form the cylindrical isthmus between the rod and the drop by pulling the submerged rod from the drop, lower the solidification temperature of the test substance: drop q with the isthmus on the rod from the substrate, set the desired temperature, bring the drop in contact with the substrate, and measure the weight of the rod with the drop in contact with a spoon after reaching its stationary value, measure the radius of the isthmus and determine the surface tension using the data obtained.