金子　大史

アルキメデス２球法を用いたアルカリケイ酸塩ガラスの高温ガラス融液の密度測定

松下　和正

ガラス製造工程の効率化において、ガラス融液の物性を正確に把握することは重要である。密度はガラスの基本的な物性の一つであるにもかかわらず、高温での測定が非常に困難なため、正確に報告された例は数少ない。また、粘度は融液状態における重要な制御因子の一つである。Doolittleによれば、液体の粘度は液体中の自由体積に大きく関係しているといわれている。そこで本研究では、アルキメデス２球法を用い、アルカリケイ酸塩ガラス融液の密度測定を行い、Vogel- Fulcher-Tamman式や以前に本研究室で考案された新しい粘度式を用い、粘度との関係の検討を行うことを目的としている。また、その際に用いるガラス融液の密度測定装置の測定精度を向上させるために装置の改良も行った。
ガラス融液の密度測定は、密度が非常にstaticな性質であるために、融液中の泡、電気炉内の温度分布などの高温での密度測定の難しさに加え、電子天秤の熱ドリ
フトなどの測定中の周囲の環境の変化に大きく影響を受けてしまう。そこで、周囲の温度変化による影響を軽減するために、水冷を強化し、天秤にホースを巻き水冷を施した。その結果測定状況によっては最大25℃程度変化していた電子天秤周辺の温度がほぼ一定に安定させることが可能となった。
粘度の温度依存性を表す経験式であり、自由体積理論と深く関係しているといわれているVogel-Fulcher-Tamman式（ＶＦＴ式）を用いて、粘度の測定値の最適化を行った。また、本研究室で以前に考案した粘度式logη=A+B/(T-T0)+Cα/Tを用いて同様に粘度の測定値の最適化を行った。そして、得られた各定数を用い、粘度が1012(Pa・s)となる温度を求め、ＴＭＡで求めたＴｇとの比較を行った。その結果、VFT式よりも正確に実験値との近似を行うことができた。
Na2O-SiO2系において、Ｔｇにおける粘度1012(Pa・s)と測定値をＶＦＴ式で最適化し、得られた各定数と、融液の密度がNa2O含有量30mol%以下と35mol%以上とで異なる傾向を示した。ＶＦＴ式における各定数は融液における構造に関係していると言われている。また、相平衡状態図および室温の結晶構造を調査した結果、融液部分においてNa2O含有量33.3mol%を境にして、融液においてその構造が異なると考えられる。
密度の測定値から自由体積分率φを求めた。Doolittleによれば液体の粘度はφの逆数と直線関係にあるが、狭い温度範囲では直線関係になるが、広い温度範囲では直線関係にならず、ガラス融液の粘度の温度依存性は自由体積理論では表せないことがわかった。