Структурообразование (6)
Лиотропные жидкие кристаллы
Жидкокристаллическое состояние – формирование структуры второго типа в агрегативно-устойчивых и лиофильных системах при достижении стесненных условий. Характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц (как в кристалле).
Жидкокристаллическое состояние – наиболее совершенная структура второго типа (в плане закономерного расположения частиц в объеме), поскольку частицы дисперсной фазы близки к монодисперсным и участвуют в броуновском движении.
Элементами дисперсной фазы лиотропных жидких кристаллов могут |
|
быть твердые частицы (особенно с ярко выраженной анизометрией), мицеллы |
|
ПАВ, супрамолекулы, молекулы жесткоцепных полимеров. |
7 |
Структурообразование в дисперсных системах и их структурно-механические (реологические) свойства
Реологические свойства (1)
Основные понятия и идеальные законы реологии (1)
Реология – наука о деформации и течении материальных систем под действием механических напряжений. Исследует структурно-механические (реологические) свойства систем при их деформации под действием внешних механических напряжений. (Rheos – течь, logos – наука; Бингам).
Деформация (γ) – относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность (безразмерная величина).
Вязкость (η) – величина, характеризующая сопротивление жидкости течению (Па.с).
Кривая течения – зависимость скорости деформации от приложенного механического напряжения = f (P).
Реологическая кривая – зависимость скорости деформации и вязкости от приложенного механического напряжения.
Реологические свойства (2)
Основные понятия и идеальные законы реологии (2)
Напряжения (Р)
(Па=Н/м2)
Нормальные (направленные перпендикулярно к поверхности)
Приводят к объемной деформации (растяжение или сжатие)
Тангенциальные (направленные по касательной к поверхности)
Приводят к сдвиговой деформации
Первая аксиома реологии – при всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все материальные тела ведут себя одинаково – как идеальные упругие тела.
Вторая аксиома реологии – любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами (прочность, упругость, пластичность и вязкость).
3
Реологические свойства (3)
Основные понятия и идеальные законы реологии (3) Деформации
Упругая деформация (исчезает после снятия напряжения); упругие (гуковские) и эластические
(запаздывающие упругие)
Объемные деформации |
= |
l |
= |
l −l0 |
(растяжение, сжатие). |
l0 |
l0 |
Сдвиговые: |
|
|
|
|
= xy = tg
Деформации изгиба и кручения.
Остаточная деформация (необратима, изменения в системе остаются после снятия напряжения);
вязкое и пластическое течение
Пластическая деформация (остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела)
Течение – вид деформации, при котором величина дефор-
мации |
непрерывно увеличи- |
|
вается |
при действии напря- |
4 |
жения. |
|
|
|
Реологические свойства (4)
Основные понятия и идеальные законы реологии (4)
Элементарные реологические модели
Идеально упругое тело Гука – пружина, де-
формационное поведение которой описывается законом Гука.
Модуль Юнга – Е, характеризует жесткость материала.
Характерна полная обратимость деформаций.
Идеально вязкое тело Ньютона – перфориро-
ванный поршень в цилиндре, заполненном идеально вязкой жидкостью.
Скорость деформации (перемещения цилиндра) описывается законом Ньютона.
Идеально пластическое тело Сен-Венана – Кулона – твердое тело, скользящее по плоскости. Движение тела начнется только при приложении к нему напряжения РТ - предела текучести, компенсирующего действие «сухого трения».
Реологические свойства (5)
Моделирование реологических свойств (1)
Упруговязкое тело |
Вязкоупругое тело |
Упруго- |
пластическое тело
Модель Максвелла |
Модель Кельвина - Фойгта |
Реологические свойства (6)
Моделирование реологических свойств (2)
Модель Максвелла – модель упруговязкого тела (последовательное сочетание моделей Гука и Ньютона – упругого и вязкого элементов).
Позволяет показать наличие упругих свойств у жидкости.
= + ; |
d |
|
|
d |
|
d |
|
|
P P |
|
d |
|
|
|
1 dP P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
P |
|
= |
|
+ |
|
|
|
; = |
|
+ |
|
; |
|
= |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
. |
|
При Р = const, |
|
= |
|
|
|
d |
d |
d |
|
|
E |
|
d |
|
E |
1 |
d |
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= const; |
1 |
|
dP |
+ |
P |
= 0; |
dP |
= − |
E1 |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E1 |
|
d |
1 |
P |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E = P |
0 |
; |
|
= P |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
P = P0 exp (− / ); = 1 / E1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ – время релаксации, за которое |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
начальное напряжение Р0 при постоян- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной деформации уменьшается в е раз. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Реологические свойства (7)
Моделирование реологических свойств (3)
Модель Кельвина-Фойгта – модель вязкоупругого тела (параллельное соединение моделей Гука и Ньютона – упругого и вязкого элементов).
Отражает поведение вязкоупругих тел, обладающих эластичностью.
При Р=Р0 деформация развивается во времени |
постепенно: |
d |
= |
|
P |
= |
P0 |
− P |
= |
|
P0 |
− |
E2 |
|
|
d |
2 |
|
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= P0 (1− e− 
)
E2
P = P + P
= =
Эластичность тела характеризуют: θ – время запаздывания или
релаксации деформации; |
|
|
Е2 – модуль эластической де- |
|
|
формации. |
|
|
|
|
= 2 |
E2 ; |
E2 = P 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Упругое |
последействие описы- |
|
|
вается уравнением (при Р0 = 0): |
|
|
= exp(− ) |
|
|
|
1 |
|
|
|
Деформация полностью исчеза- |
|
|
ет только через бесконечно долгое |
|
|
время. Поэтому |
всегда существует |
|
8 |
некоторая остаточная деформация. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Реологические свойства (8)
Моделирование реологических свойств (4)
Модель упруго-пластического тела – последовательное соединение моделей Максвелла и Кельвина-Фойгта. Позволяет смоделировать систему, обладающую упругой деформацией, эластичностью, способностью к релаксации напряжений.
При Р = const деформация развивается во времени в соответствии с уравнением:
= |
P |
+ |
|
P |
+ |
P |
(1− e− / ) |
|
|
|
|
E |
|
E |
|
1 |
|
1 |
|
2 |
|
На основании кривой деформации можно рассчитать:
1.Модуль упругости: E1 = P / 0
2.Модуль медленной эластической
деформации: |
E2 = P / 3 |
|
3. |
Равновесный модуль эластич- |
|
ности: |
E3 = P / ( 0 + 3 ) |
|
4. |
Степень эластичности: |
|
|
|
3 |
E1 |
|
|
= |
|
100% = |
|
100% |
|
|
0 + 3 |
E1 + E2 |
|
5. |
Другие характеристики (η1, η2, θ). |
9 |
