Способ определения вязкости стекла Советский патент 1988 года по МПК G01N33/38 

со ю

о

ел

О)

а

Изобретение относится к технике определения вязкости стекол при вы- соких температурах и может быть использовано для вискозиметрии стекла в интервале вязкости 10-10 кг/м.с в установках вытяжки световодов, формируемых штабиковым или фильерным методом, для точного определения вякости стекол, из которых формирует- ся волокно.

Цель изобретения - упрощение измерений.

На фиг. 1 представлена схема устройства при работе с ци.пиндрической заготовкой, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - то же, при работе с расплавом; на фиг. 3 - форма области деформации и распределен температуры вдоль ее длины при вытя ке волокон.

В термоэлементе 1 производится нагрев цилиндрической заготовки 2 и исследуемого стекла, которая медленно опускается с постоянной скорость или тигля 3, содержащего фильеру А и расплав 5 исследуемого стекла. Расплавленное стекло в воздухе образует свободную жидкую струю 6, которая по мере охлаждения утончается под действием растягивающего усилия

F , создаваемого механизмом 7 вытяжки. Уравнение баланса сил, действующих в области деформации, т.е. в области, где происходит изменение радиуса струи, на расстоянии х вдоль ее длины записывают в следующем виде:

2JL

Зх

1

о о

s

Так как расплав кварцевого стекла является ньютоновской жидкостью, то PJ; - р+2(ц8, где Rj; - компоненты тензора напряжений (i 1,2,3); Р - давление; fi - вязкость V - продольная скорость. Если на свободную поверхность не действуют силы, PJJ 0. Учитывая, что

- 4- ГР-. ,

3 -- 11

9V находят р

/

ЭУ Зх

оти следовательно Р„ 3 куда следует, что

F|u(x) 31Г |u (x)R4x) j .

Сила поверхностного натяжения появляется вследствие искривления поверхности струи и по закону Лапласа равна

F(x) TR4x)Cj Н(х),

О

где Н(х) - средняя кривизна поверхности струи.

1 + 1 ( 9R, R R 9х- 9x2

J/a

If

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

F +F(x) F (х) +FP (х) +F;(x) +F(,j(x)

х), F,j(x)

40

соответственно силы тяжести, вязкого трения, поверхностного напряжения, инерции и сопротивлениятрения о воздух.

Сила F,y 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 тензором скоростей деформаций следующего вида

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.

е F;. (х j R4x)v(x) dx.

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

Е F;i(x) 27 Р R(x)dx,

где локальное напряжение сдвига, возникающее на поверхности тела, движущегося со скоростью V в среде с плотностью PJ ;

Р, .i

С| - средний коэффициент гидро динами -ского трения, зависящий от скорости движения тела, геометрии его пверхности и коэффициента кинематической вязкости среды 5j. .

Значение С. можно оценить по форму С| 0,A(Re) , которая получена на основе теории турбулентного погничного слоя для неподвижного цилиндра, обдуваемого продольным потоком воздуха.

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

Е F (х) ;Грз jR4x)dx.

X

После подстановки составляющих силы натяжения и учитьшая, что для

V R

несжимаемой жидкости V(x) )

R (х)

где V - скорость подачи заготовки зону нагрева (скорость истечения расплава из фильеры); R - радиус заготовки (радиус фильеры), получают

-0,4p,( |U V, R§ 9R(x) RTx5 8x

откуда получают уравнение, разрешая последнее равенство относительно и (х). 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.че измерено значение радиуса R(x) и

получить зависимость вязкости от температуры.

Вязкость определяется из следую- с щего соотношения:

Г

(х) R(x)

crV.RI

Ff

I

+ pq f R (x)dx - R2 (x)6 I tf J

x

t 1 , 3R(x),, 9 R(x) RG HIF) 9x д x

2 + (

3R(x) ,,V

3x

e

)

.R,)4, -M dx25 0,4p,(,) Iref

где fj - вязкость расплава стекломассы, KP/MfC;

Vg - скорость подачи заготовки в зону нагрева или скорость истечения стекломассы из фильеры, м/с;

Кд - радиус заготовки или фильеры, м; Fj усилие вытяжки, создаваемое

вытяжным механизмом, Н; р - плотность расплава стекломассы, кг/м ;

Ч - ускорение свободного падения, м/с ;

X - продольная координата, м; 1 - расстояние от точки х, в которой производится расчет вязкости, до вытяжного ро- лика, м;

R - радиус зоны деформации, м; GT - коэффициент поверхностного

натяжения, Н/м; - плотность воздуха, кг/м ;

Re.

Voo R(x)

- число Рейнольдса;

Vg - скорость воздуха вдоль поверхности зоны деформации, м/с;

с - козффициент кинематической вязкости воздуха, м/с.

Пример. Расчет вязкости расплава стекломассы. Скорость подачи заготовки в зону нагрева V 8,192 « «10 м/с; радиус заготовки R 0,005 м; усилие растяжения F 0,275 Н; скорость газа V 0,5tVc расстояние до вытяжного ролика 1 3,7 м. Плотность кварцевого стекла при 2000°С р 2210 кг/м ; коэффициент поверхностного натяжения СГ 0,3 Н/м; физические свойства газа при этой температуре: 2,88 Ur MVci р, 0,81 кг/м . Подставив указанные значения параметров в соотношении для расчета jU (х) при X 0,087 м, получают, что вязкость расплава в этой точке равна 7,52-10 Из, а следовательно, это есть вязкость кварцевого стекла при 1960 С (фиг.З). Как видно из проведенного примера, подобным образом можно определить fu (Т) в интервале температур 1600-2000 С путем подстановки продольной координаты, значения функции R(x) и ее производной в точке х, так как остальные параметры остаются постоянными. Погрешность определения /ч изложенным способом по сравнению с данными для вязкости кварцевого стекла составляет 10-1А%.

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

формула изобретения

Способ определения вязкости стекла, преимущественно для выработки

оптического волокна в интервале 10..

I i- ...10 кг/м-с, включающий нагрев и

измерение усилия растяжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений, измеряют радиус зоны деформации расплава стекломассы и определяют вязкость из следующего соотношения:

((х) R(x)

5V. Rjif.L

-li- +

Ъ

+ рИ R2 (x)dx - R4x)(j

, 8R(x),, (x)

20

-0,Ap:(V,R) ,

XJ

где (Ц - вязкость расплава стекло

массы, кг/М С;

V - скорость подачи заготовки в- зону нагрева или скорость истечения стекломассы из фильеры, м/с;

R - радиус заготовки или фильеры, м;

F, - усилие растяжения, создаваемое вытяжным механизмом, Н; р - плотность расплава стекломассы, кг/М ;

- ускорение свободного паде- ния,

X - продольная координата, м; 1 - расстояние от точки х, в

которой производится расчет вязкости, до вытяжного ро- лика, м;.

R - радиус зоны деформации, м; С - коэффициент поверхностного

натяжения, Н/м; PC - плотность воздуха, кг/м ;

Voo R(x) „ „ г -5 число Реинольдса ,

с

V( - скорость воздуха вдоль поверхности зоны деформации, м/с;

- коэффициент кинематической вязкости воздуха, .

2000

ПК). С

0.06 0.070.08 0.09

Фиг.

0.1

0.11 Л, А;