Практикум_KX_2004

Структуры бывают коагуляционные и конденсационные (кристал-

ли-зационные). Первые образуются за счет слабых водородных связей или сил Ван-дер-Ваальса, легко разрушаются при механических воздействиях и через некоторое время могут самопроизвольно восстановиться. Это явление получило название "тиксотропия". Конденсационные структуры образуются за счет химических связей между частицами, за счет возникающих и сростающихся кристаллов. Такие системы не могут обладать тиксотропными свойствами, они не пластичны, а хрупки.

На тип системы весьма существенное влияние оказывает концентрация дисперсной фазы. В свободно-дисперсных системах концентрация не может быть очень большой, так как в противном случае неизбежно возникал бы контакт между отдельными частицами. В результате образовывались бы пространственные сетки, и свободное перемещение частиц по отношению друг к другу было бы невозможно. При введении в систему стабилизатора, препятствующего сближению частиц и проявлению молекулярных сил между частицами, можно значительно увеличить критическую концентрацию, при которой возникают связи между элементами структурной сетки, т.е. концентрацию, отвечающую: достаточно высокой прочности или структурной вязкости системы.

В связанно-дисперсных системах концентрация дисперсной фазы может достигать очень больших значений. Однако следует отметить, что эти системы могут получаться и при очень малых концентрациях дисперсной фазы, если только частицы достаточно анизодиаметричны, являясь, например, палочками или пластинками.

Помимо концентрации дисперсной фазы, на реологические свойства коллоидных систем сильно влияют и такие факторы, как природа дисперсной фазы, дисперсионной среды и присутствующего стабилизатора, поскольку именно от этих факторов зависит эффективность молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между частицами дисперсной фазы, а с другой − между частицами и дисперсионной средой.

191

Таким образом, та или иная структура коллоидной системы придает ей определенные реологические свойства, значение которых весьма важно и с практической стороны. Почва Земли, формовочные глины, цементный раствор, краски, лаки, пасты характеризуются рядом особых структурно−механических свойств.

Одним из методов изучения структур является проверка применимости к системе закона Ньютона или закона Пуазейля. Закон Пуазейля характеризует ламинарное течение жидкости по капилляру под действием приложенного давления:

где V/τ − объемная скорость течения, м3/с; Ρ − приложенное давление, Па;

r − радиус капилляра, м; l − длина капилляра, м;

η − вязкость жидкости, Па с.

У жидкостей подчиняющихся закону Пуазейля, зависимость между объемной скоростью течения и давлением должна быть линейной.

Для структурированных систем применяют уравнение Бингама, предполагающее ньютоновское течение системы после разрушения непрочной структуры:

где Ρm − напряжение на сдвиг, необходимое для начала течения системы, H/м2.

Для реологических исследований неструктурированных систем применяют капиллярные вискозиметры различных конструкций. Так, с помощью вискозиметра Уббелоде измеряют время течения τ определенного объема жидкости между двумя метками при действии внешнего давления Ρ. Кривые строят в координатах Ρ = f(1/τ), причем 1/τ − величина, пропорциональная объемной скорости V/τ.

192

Для исследования структурированных систем типа паст наиболее часто применяются два метода: конического пластометра и тангенциального смещения пластинки. Первый метод позволяет характеризовать реологические свойства систем величиной предельного напряжения сдвига Ρm. Он состоит в измерении глубины погружения конуса h, м, в данную систему под действием постоянной нагрузки F, H. Величина Ρm вычисляется по уравнению:

где K − константа прибора.

Принцип метода тангенциального смещения пластинки заключается в определении усилия, необходимого для смещения пластинки, погруженной в исследуемую систему. Предельное напряжение на сдвиг Ρm, H/м2, рассчитывается с помощью уравнения:

где F − величина приложенного усилия, H;

S − площадь боковой поверхности пластинки, м2.

Следует отметить, что величина Ρm зависит от многих факторов: концентрации, температуры, дисперсности системы, добавок ПАВ и др.

К дисперсным системам относятся растворы высокомолекулярных соединений, которые представляют собой вещества, состоящие из огромных молекул с молекулярной массой порядка от десятков до сотен тысяч углеродных единиц.

Величина молекулярной массы наряду со строением молекулы определяет важные в практическом отношении свойства полимеров: механическую прочность, эластичность, способность к набуханию и растворению и др.

Разработаны и используются несколько методов определения молекулярной массы полимеров, такие, как осмотический, оптический, седиментации в центробежном поле и др. Однако наиболее распространенным и более доступным является вискозиметрический метод, который основан на использовании уравнения Марка-Хаувинка:

193

Решение. Согласно уравнению Пуазейля:

η= πr4 Pτ, 8 l V

где V/τ − объемная скорость течения, м3/с.

η= 3,14 1 10−12 200 =0,935 Па с. 8 6 10−2 14 10−10

2. При изучении структурно-механических свойств суспензии пылеобразного кварца с помощью прибора Вейлера-Ребиндера определено усилие F = 1,5·10–2 Η, необходимое для смещения рабочей пластины прибора. Длина пластины а = 1 см, ширина b = 0,5 см. Рассчитать Рm – предельное напряжение сдвига суспензии.

Решение. Предельное напряжение сдвига, характеризующее прочность структуры системы, вычисляется по уравнению:

Pm = 2FS ,

где S − площадь боковой поверхности пластинки, м2.

3. Рассчитать молекулярную массу поливинилового спирта, если по данным вискозиметрии характеристическая вязкость [η] = 0,15. Константы уравнения Марка-Хаувинка составляют: K = 4,53 10–5; α = 0,74.

Решение. Согласно уравнению

M=eln M =e10,95 =57114 у.е.

9.6.2.Задачи для самостоятельного решения

1.Вычислить скорость истечения оливкового масла из вискозиметра через капилляр, длина которого l = 5·10–2 м и радиус r = 25·10–5 м под давлением Ρ = 980 Па; динамическая вязкость масла η = 5·10–3 Па·с.

195

2.Какова динамическая вязкость глицерина, если из круглого капилляра длиной l = 8·10–2 м и радиусом сечения r = 6·10–3 м он вытекает со скоростью V/τ = 1,1·10–6 м3/с под давлением Ρ = 160 Па?

3.При исследовании влияния поверхностно-активных добавок на кристаллизационное структурообразование концентрированных суспензий окиси кальция получены следующие экспериментальные данные (использован метод конического пластометра):

Величина нагрузки F = 9,8 H, константа конуса K = 0,4.

Построить кривую зависимости величины предельного напряжения сдвига Ρm от концентрации добавки.

4. Используя экспериментальные данные, полученные с помощью конического пластометра, показать графически влияние добавок поверхностноактивного вещества (глюкозы) на величину предельного напряжения сдвига Рm концентрированной суспензии СаО:

Величина нагрузки F = 11,8 H, константа конуса K = 0,4.

5.Определить диаметр капиллярного вискозиметра длиной l = 5 10–2 м, если 3·10–6 м3 жидкости с динамической вязкостью η = 1 10–3 Па·с вытекают из него под давлением Ρ = 100 Па за τ = 61 c.

6.Определить динамическую вязкость машинного масла, если через

круглый капилляр длиной l = 6·10–2 м и диаметром d = 1 10–3 м оно протекает

собъемной скоростью V/τ = 2,04 10–10 м3/с под давлением Ρ = 100 Па.

7.Пользуясь экспериментальными данными, полученными с помощью конического пластометра, рассчитать и построить кривую изменения величины предельного напряжения сдвига Рm в зависимости от степени влажности хвалынской глины:

196

Величина нагрузки F = 16,2 H, константа конуса K = 0,6.

8. При помощи прибора Вейлера-Ребиндера изучены структурно-меха- нические свойства 25 %-х олеосуспензий железного сурика в зависимости от концентрации ПАВ (олеиновая кислота):

Рассчитать предельные напряжения сдвига Рm и построить график их зависимости от концентрации ПАB. Длина рабочей пластинки прибора равна

a= 8·10–3 м, ширина b = 6 10–3 м.

9.При исследовании реологических свойств нефти с помощью виско- зи-метра Уббелоде получены·следующие экспериментальные данные:

Построить кривую в координатах 1/τ = f(P) и определить, при каком напряжении полностью разрушится структура.

10. При измерении вязкости растворов полистирола в толуоле с помощью вискозиметра получены следующие данные:

Рассчитать значения удельной и приведенной вязкости растворов полимера и построить график зависимости ηуд/C = f(C). Определить характеристическую вязкость [η].

11. При измерении вязкости растворов полиизопрена в толуоле с помощью капиллярного вискозиметра получены следующие данные:

197

Рассчитать значения удельной и приведенной вязкости растворов. Построить график зависимости ηуд/C = f(С) и определить характеристическую вязкость раствора [η].

12. Используя значения приведенной вязкости для различных концентраций нейлона в муравьиной кислоте и константами вискозиметрического уравнения K = 11 10–5и α = 0,72, рассчитать молекулярную массу нейлона:

13.Какова молекулярная масса натурального каучука, если при его растворении в бензине величина характеристической вязкости [η] = 0,126; кон-

станты K = 5 10–5, α = 0,67?

14.Рассчитать молекулярную массу этилцеллюлозы в анилине, используя экспериментальные данные вискозиметрического метода:

Константы: К = 6,9 10–5, α = 0,72.

15. Вычислить молекулярную массу перхлорвиниловой смолы в циклогексане, пользуясь экспериментальными данными вискозиметрического метода:

Константы: К = 6,3 10–5, α = 0,67.

16. Вычислить молекулярную массу нитроцеллюлозы по данным вискозиметрического метода: характеристическая вязкость раствора нитроцеллюлозы в ацетоне [η] = 0,204; константы: K = 8,9 10–6; α = 0,9.

17. Вычислить молекулярную массу поливинилацетата в ацетоне, пользуясь данными вискозиметрического метода:

Константы уравнения Марка - Хаувинка: К = 4,2 10–5, α = 0,68.

18. Определить молекулярную массу полиметилметакрилата по следующим данным вискозиметрического метода:

Константы: К = 4,7 10–5, α = 0,77.

19.Рассчитать молекулярную массу поливинилового спирта по данным вискозиметрического метода: характеристическая вязкость [η] = 0,15; конста-

нты: К = 4,53 10–5; α = 0,74.

20.Определить молекулярную массу этилцеллюлозы в толуоле, используя данные вискозиметрического метода:

Константы: К = 1,18 10–4, α = 0,67.

21. Время истечения этилового спирта в вискозиметре Оствальда равно 15 с, а время истечения такого же объема воды составляет 10 с. При T = 293 К вязкость воды η = 1,005 10−3 Па с, ее плотность ρв = 0,998 г/ см3, а плотность спирта ρс = 0,791 г/ см3. Найти коэффициент динамической вязкости спирта

η.

22. Рассчитать и построить график изменения величины предельного напряжения сдвига в зависимости от концентрации суспензии железного сурика в параксилоле. При использовании метода тангенциального смещения пластинки получены следующие данные:

Длина пластинки а = 0,7 10−2 м, ширина b = 0,5 10−2 м.

199

23. Рассчитать и построить график зависимости предельного напряжения сдвига агарового студня от концентрации поверхностно-активной добавки – изопропилового спирта. Исследование проводили методом конического пластометра, при этом получены следующие данные:

Величина нагрузки F = 9,8 10−2 H, константа конуса К = 0,413.

24. Построить реологическую кривую раствора нитроцеллюлозы в ацетоне в координатах Pτ = f(P), используя экспериментальные данные, полученные с помощью вискозиметра Уббелоде:

Определить предельное напряжение сдвига Pm.

25. Пользуясь экспериментальными данными, полученными с помощью вискозиметра Уббелоде, построить реологические кривые в координатах Pτ = f(P), для растворов этилцеллюлозы различной молекулярной массы в толуоле. Сравнить величину предельного напряжения сдвига Pm.

Контрольные вопросы

1.Каковы причины возникновения структур в дисперсных системах?

2.Охарактеризовать типы структур, возникающих в дисперсных системах. Привести примеры.

3.Какие виды деформации характерны для дисперсных систем?

4.Написать уравнение Ньютона для течения жидкостей. Объяснить фи-

зический смысл входящих в него параметров. Нарисовать кривые скорости

200