Способ определения вязкости стекла

 

Изобретение относится к технике определения вязкости стекол при высоких температурах и может быть использовано для вискозиметрии стекла в интервале вязкости 10 - 10 кг/м, С в установках вытяжки световодов , формируемых штабикоБым или фильерным методом, для точного опре деления вязкости стекол, из которых формируется волокно. Целью изобретения является упрощение измерений. Измеряют радиус зоны деформации расплава стекломассы. В одном эксперименте осуществляют одновременное измерение вдоль длины зоны деформации значение ее радиуса и температуры . Можно рассчитать изменение вязкости вдоль продольной координаты , а так как производится одновременное измерение температуры в точках , где определяется значение радиуса , то получают зависимость вязкости от температуры в течение одного эксперимента. 3 ил. с S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) А1 (5)) 4 С 01 М 33/38

) !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4086612/29-33 (22) 07.07.86 (46) 23.04.88. Бюл. М- 15 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В.Н. Васильев и В.Д. Наумчик (53) 620.1(088.8) (56) Мещерякова Е.В. и др. Прибор для измерения вязкости кварцевого

5 9 стекла в интервале 10 -10 Пз. — Заводская лаборатория, 1974, N 4, с. 427 †4.

Евстропьев К.С., Торопов Н.А. Химия кремния и физическая химия силикатов. — M. Госстройиздат, 1956, с. 486. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ

СТЕКЛА (57) Изобретение относится к технике определения вязкости стекол при высоких температурах и может быть использовано для вискозиметрии стекла в интервале вязкости 10

42

10 кг/м; с в установках вытяжки световодов, формируемых штабиковым или фильерным методом, для точного определения вязкости стекол, из которых формируется волокно, Целью изобретения является упрощение измерений.

Измеряют радиус зоны деформации расплава стекломассы. В одном эксперименте осуществляют одновременное измерение вдоль длины зоны деформации значение ее радиуса и температуры. Можно рассчитать изменение вязкости вдоль продольной координаты, а так как производится одновременное измерение температуры в точках, где определяется значение радиуса, то получают зависимость вязкости от температуры в течение одного эксперимента ° 3 ил.

1390566

Е +F (х) =Р (х) +Г (х) +Р Ä(x) +Fс (х), 40 где Г (х), F„„(x), — соответственно (x) F-„(x) у F (х) силы тяжести R вязкого трения, поверхностного напряжения, инерции и со15 противления трения о воздух °

Сила Г затрачивается на преодоление внутреннего трения и зависит от скорости деформации и вязкости расплава. Можно считать, что в данном случае реализуется простое одноосное растяжение жидкой струи.

Такое течение жидкости задается тен» эором скоростей деформаций следующего вида

Изобретение относится к технике определения вязкости стекол при высоких температурах и может быть использовано для вискозиметрии стекла

-l2, в интервале вязкости 10-10 кг/м.с в установках вытяжки световодов, формируемых штабиковым или фильерным методом, для точного определения вязкости стекол, из которых формирует- 10 ся волокно.

Цель изобретения — упрощение измерений.

На фиг. 1 представлена схема устройства при работе с цилиндрической 15 заготовкой, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 — то же, при работе с расплавом; на фиг. 3 — форма области деформации и распределения температуры вдоль ее длины при вытяж-20 ке волокон.

В термоэлементе 1 производится нагрев цилиндрической заготовки 2 из исследуемого стекла, которая медленно опускается с постоянной скоростью, 25 или тигля 3, содержащего фильеру 4 и расплав 5 исследуемого стекла.

Расплавленное стекло в воздухе образует свободную жидкую струю 6, которая по мере охлаждения утончается 30 под действием растягивающего усилия

Г, создаваемого, механизмом 7 вытяжки. Уравнение баланса сил, действующих в области деформации, т ° е. в области, где происходит изменение ради- г5 уса струи, на расстоянии х вдоль ее длины записывают в следующем виде:

1 0 0

0 -1/2 0

0 0 — 1/2 дч

S ах

Так как расплав кварцевого стекла является ньютоновской жидкостью, то P" = — р+2 р S, где R;; — компоненты тензора напряжений (i= 1,2,3);

P — давление; p — вязкость V продольная скорость. Если на свободную поверхность не действуют силы, Р = Р э = О, Учитывая, что

1 с;- аЧ р = — —,б Р„, находят р =-р3 ах

>=l аЧ дх и следовательно Р„ = 3 р куда следует, что

Рр(х) = 3 ll fu (x) R (х) д Ч(х) Сила поверхностного натяжения появляется вследствие искривления поверхности струи и по закону Лапласа равна

F (х) = «R (х) 6Н(х), где H(x) — средняя кривизна поверхности струи.

+()г

1 1 дК

К К дх д хг () б — коэффициент поверхностного натяжения, Сила инерции затрачивается на ускорение жидкости от некоторой скорости в сечении х до скорости вытяжки волокна в сечении х = 1, т.е.

F;„(x) = «р ) R2 (x)V(x) dx. д Ч(х) Эх о

Последнее слагаемое в правой части определяется сопротивлением трения при движении струи в окружающей среде

P,(х) = 2 f Р R(x)dx, где R„„ — локальное напряжение сдвига, возникающее на поверхности тела, движущегося со скоростью V в среде с плотностью л гс

7390566

R(x) Fg — + р(х) GV R2 ЭК о Дх

l5

2 1+()

20 е

f (К„)"

25 где р

Vo ют

R2 (х) dx а К(х) ах З5 (аК(х)

К(х) К(х)(ах

= К (x)G

2 1+()

45

6 (u V, R,2 3R(x) к67 ах р

55

Є— 2 PcV Сд ю

С вЂ” средний коэффициент гидро 1 динами .ского трения, зависящий от скорости движения тела, геометрии его поверхности и коэффициента кинематической вязкости среды

Значение С можно оценить по фермуле

-о,ч

С = 0,4(Re„), которая получена на основе теории турбулентного пограничного слоя для неподвижного цилиндра, обдуваемого продольным потоком воздуха.

В направлении усилия растяжения в зоне деформации действует сила тяжести, которая равна е

F (х) = Ъ) R (х) dx.

После подстановки составляющих силы натяжения и учитывая, что для

Ч К 2 несжимаемой жидкости V(x) где V — скорость подачи заготовки в

О зону нагрева (скорость истечения расплава из фильеры); R — радиус заготовки (радиус фильеры), получае

-2 р (V Ê ) J () dx + ,, г 1 аК(х)

Х (Ке„ откуда получают уравнение, разрешая последнее равенство относительно

p (x). Таким образом, производя в одном эксперименте одновременное измерение вдоль длины зоны деформации ее радиуса R(x) и температуры Т(х), можно рассчитать изменение вязкости вдоль продольной координаты, так как производится одновременное измерение температуры в точках, г. е измерено значение радиуса R(x) и получить зависимость вязкости от температуры.

Вязкость определяется из следующего соотношения: е

R (х) dx — К (х) G ю (3R(x)), а R(x)

Ктх) К(х) д х д х вязкость расплава стекломассы, кг/м с; скорость подачи заготовки в зону нагрева или скорость истечения стекломассы из фильеры, м/с; радиус заготовки или фильеры, м; усилие вытяжки, создаваемое вытяжным механизмом, Н; плотность расплава стекломассы, кг/м ; ускорение свободного падения, м/с2 9 продольная координата, м; расстояние от точки х, в которой производится расчет вязкости, до вытяжного ролика, м; радиус зоны деформации, м; коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; плотность воздуха, кг/м ;

Ч, R(x)

Ке„ = число Рейнольдса;

Ч вЂ” скорость воздуха вдоль поверхности зоны деформации, м/с; с — коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с .

1390566

Пример. Расчет вязкости расплава стекломассы. Скорость подачи заготовки в зону нагрева V, = 8,192» х10 м/с; радиус заготовки R, 0 005 м; усилие растяжения F

= 0,275 Н; скорость газа V =0,54с; расстояние до вытяжного ролика 1

3,7 м. Плотность кварцевого стекла при 2000 С p = 2210 кг/м ; ко- 10 эффициент поверхностного натяжения

G = 0,3 8/м; физические свойства газа при этой температуре:

2 88 10 м /с; р, = О 81 кг/м .

Подставив указанные значения параметров в соотношении для расчета р (х) при х = 0,087 м, получают, что вязкость расплава в этой точке равна 7,52 10 Пз, а следователь5 но, это есть вязкость кварцевого 20 о стекла при 1960 С (фиг.3). Как видно нз проведенного примера, подобным образом можно определить (Т) в интервале температур 1600-2000 С путем подстановки продольной коор- 25 динаты, значения функции R(x) и ее производной в точке х так как остальные параметры остаются постоянными. Погрешность определения в изложенным способом по сравнению с данными для вязкости кварцевого стекла составляет 10-14%.

Таким образом, по сравнению с известным способом обеспечивается измерение зависимости вязкости от температуры в течение одного экспе римента и существует воэможность эффективного использования предлагаемого способа в технологии вытяжки оптического волокна. Формула изобретения

Способ определения вязкости стекла, преимущественно для выработки оптического волокна в интервале 10... 45 ...10 кг/м с, включающий нагрев и измерение усилия растяжения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью упрощения измерений, измеряют радиус зоны деформации расплава стекломассы и определяют вязкость иэ следующего соотношения:

R(x) Р

GV R

БЧ. ° д х

p(x) = е

R2 (х)Д Р2 () С-„ х (д R(x))z ах

+ 2 Р (v, R,) I- dx

1 аК(х) х е (Re.)

04 (Ч R2)2 " dx х где вязкость расплава стекломассы, кг/м ° c скорость подачи заготовки в. зону нагрева или скорость истечения стекломассы из фильеры, м/с; радиус заготовки или фильеры, м; усилие растяжения, создаваемое вытяжным механизмом, Н; плотность расплава стекломассы, кг/м ; ускорение свободного падения, м/с2; продольная координата, м; расстояние от точки х, в которой производится расчет вязкости, до вытяжного ролика, м;. радиус зоны деформации, м; коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; плотность воздуха, кг/м ;

Vî

Ч R(x) — число Рейнольдса, 1, Re„ скорость воздуха вдоль поверхности эоны деформации, м/с; коэффициент кинематической вязкости воздуха, м /с.

1 1 (д R(x) 3 R(x), R(x) R(x) ах ) ах

1390566

i 390566

2000

1800

Я(Х) мм

0,01

006 007

0,77 х,и

008

0,09

Составитель Т. Буклеи

Техред M.Äèäûê Корректор Л. Тяско

Редактор Н. Рогулич

Подписное

Тираж 847

Заказ 1762/44

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4