С. Ш.Құмарғалиева коллоидтық химия

жүктеу 5,89 Mb.

бет	97/105
Дата	25.10.2023
өлшемі	5,89 Mb.
	#44020

1 ... 93 94 95 96 97 98 99 100 ... 105

treatise128700

Коагуляциялық байланыстар арқылы түзілетін құрылымданған дисперсті жүйелердің реологиялық сипаты. Мұндай жүйелерде кез келген жылжу жылдамдығында екі қарама-қарсы процесс – кеңістіктік тордың бұзылуы мен қайта түзілуі – жүреді.

Сондықтан олардың ағу қисықтарына (жылжу жылдамдығының жылжу кернеуіне тәуелділіктеріне) екі нүкте тән: құрылым бұзыла бастайтын жылжудың критикалық кернеуі Р_к және кеңістіктегі тор толығымен бұзылатын жылжудың максимал кернеуі Р_м. Нәтижесінде коагуляциялық құрылымы бар дисперсті жүйелердің ағу мен тиімді тұтқырлығының (тұтқырлықтың жылжу кернеуіне немесе жылдамдығына тәуелділігі) толық қисықтарында үш бөлігі бар (72-сурет).
Жылжу кернеулерінің аз мәндерінде (Р< Р_к) үшін ағу қисықтарында координаталар басынан шығатын сызықты бөлік байқалады. Бұл сызықтың еңкіш бұрышының аз болуы деформацияның даму жылдамдығының төмен екенін көрсетеді, бірақ деформациялардың өздері едәуір үлкен бола алады. Серпімді деформациялардан да үлкен осындай деформациялар кеңістіктік құрылым бұзылып, оның жеке қабаттары бір-біріне қатысты қозғалғанда, яғни жүйе аққанда пайда болады. Жүйенің ағу жылдамдығы өте аз болғандықтан бір жерде бұзылған бөлшекаралық байланыстардың басқа жерде қайта түзілуі ықтимал. Сондықтан құрылымдық торда осындай байланыстардың саны тұрақты болып қалады да тордың жалпы күйі өзгермейді деуге болады (73-сурет, а). Жылжу кернеулерінің осы аймағында құрылымдалған жүйенің сипаты ньютондық сұйықтыққа сәйкес келіп, оның тұтқырлығы максимал және тұрақты мәніне (η_max) жетеді. Мұндай реологиялық сипат, яғни құрылымдалған жүйелердің тұрақты тұтқырлықпен ағуы жорғалағыштық деп аталады. Жорғалағыштық жылжу кернеуінің Р_к критикалық мәніне жеткенше байқалады.
Р> Р_к болғанда бұзылған бөлшекаралық байланыстар қайта түзіліп үлгермей, құрылымдық тор бұзылып кетеді. Жүйе көлемінде құрылымның жеке фрагменттері, бөлшектердің агрегаттары және жеке бөлшектер қалады (73-сурет, ә). Жылжу кернеулерінің өсуімен құрылым фрагменттері бұзылып, агрегат-тар беттерінен бөлшектер үзіледі. Нәтижесінде агрегаттар кішірейіп, жеке бөлшектердің саны көбейеді. Осының салдарынан жүйенің тиімді тұтқырлығы күрт төмендейді.
Р_м жылжулық кернеуге жеткенде құрылымның барлық элементтері бұзылып, жүйеде тек жеке бөлшектер қалады (73-сурет, б). Р > Р_м кернеулер аймағында дисперсті жүйелер өздерін ньютондық сұйықтықтар ретінде көрсетіп, толық бұзылған құрылымның тұтқырлығы деп аталатын η_min тұрақты минимал тұтқырлыққа ие болады. η_min шамасы дисперсиялық ортаның тұтқырлығымен, дисперстік фазаның көлемдік концентрациясымен және бөлшектердің пішінімен анықталады. Кейбір дисперсті жүйелер үшін η_max/η_min қатынасы 10⁹-10¹¹ шамасына жетуі мүмкін. Жылжулық кернеулерді алғаннан кейін, дисперсті жүйедегі құрылым біршама қайта түзілуі ықтимал.
Р_к, Р_м және η_max шамалары құрылымның параметрлері болып табылады, олар жүйенің кескін аудан бірлігіндегі бөлшекаралық байланыстар саны мен осы байланыстардың беріктігіне тәуелді. Мұндай құрылымның параметрлерін тәжірибе арқылы өлшеп, бөлшектер арасындағы контактілердің беріктігін есептеп әртүрлі факторлардың әсерін анықтауға болады. Бірақ, η_max пен η_min арасындағы айырмашылық едәуір болғандықтан, бір вискозиметр арқылы толық реологиялық қисықты алып, Р_к және Р_м шамаларын дәл анықтауы қиындыққа соғады. Сонымен қатар жылжу кернеулерінің ауыспалы аймағында (Р_к < P < Р_м) Бингам теңдеуімен сипатталатын сызықты бөлік бар:

P = Р_а + η* , , (17.16)

мұндағы Р_а – аққыштық шегі (Бингамның аққыштық шегі); η* - пластикалық тұтқырлық.

Осы бөлікті абсцисса осіне дейін экстраполяциялап Р_Т шамасын табуға болады, ол Р_к мен Р_м шамаларымен қатар бөлшектер арасындағы байланыстардың саны мен беріктігіне тәуелді. Тәжірибеден Бингамның аққыштық шегін анықтау қолайлы болғандықтан, оны коагуляциялық құрылымдар беріктігінің сипаттамасы ретінде жиі қолданады. Қисықтағы сызықты бөлігінің еңкіш бұрыштың котангенсі пластикалық тұтқырлықтың η* мәнін береді.
Реологиялық қисықтардың екінші бөлігін Оствальд-Вейльдің эмпирикалық теңдеуі арқылы сипаттауға болады:

немесе , (17.17)

мұндағы k мен n – берілген дисперсті жүйені сипаттайтын тұрақты коэффициенттер.

Ньютондық жүйелер үшін n = 1, бөлшектер арасында коагуляциялық байланыстар түзілетін жүйелер үшін n < 1.
Коагуляциялық құрылымдардың түзілуіне және жүйенің реологиялық сипатыне дисперсті фаза концентрациясының әсері 74- және 75-суреттерде көрсетілген. Аз концентрацияларда бөлшектердің арақашықтығы үлкен болғандықтан олардың әрекеттесу ықтималдығы аз (74-сурет, а). Бұл жағдайда дисперсті жүйелердің сипаты ньютондық сұйықтықтарға сәйкес келіп, олардың тұтқырлығы жүктеме шамасына тәуелсіз болады (75-сурет, 1-қисық). Мұндай жүйелердің аққыштық шегі нольге тең. φ шамасының артуымен жүйе көлемінде бір-бірімен байланыспаған агрегаттар түзіле бастайды (74-сурет, ә). Мұндай суспензиялардың тұтқырлығы өскенімен, олар бұрынғыдай ньютондық болып қала береді (75-сурет, 2-қисық).
φ_cr1 мәніне жеткенде борпылдақ коагуляциялық құрылым пайда болады (74-сурет, б). Суспензияның ағуы ньютондық емеске айналып (тиксотропия байқала бастайды), қисықтарында аққыштық шегі пайда болады (75-сурет, 3-қисық). Концентрацияның ары қарай артуымен жүйеге еңгізілетін бөлшектер құрылымдық тордың деффектілерін (вакансияларын) толықтырады, яғни жүйенің кескін аудан бірлігіндегі бөлшекаралық контактілердің саны көбейеді (74-сурет, в). Бұл кезде байланыстардың беріктігі аз өзгеріп, олардың санының көбеюімен Р_Т біркелкі өседі (75-сурет, 4-қисық).
Құрылым түзудің екінші критикалық концентрацияна φ_cr2 жеткенде, аққыштық шегі Р_Т күрт (бірнеше еселікке) өседі (75-сурет, 5 қисық). Себебі φ_cr2 мәндерінде жүйеде бос вакансиялар қалмай, тек бөлшектердің арақашықтығының азаюымен кон-центрация ары қарай өсе береді (74-сурет, г). Бұл кезде беттік қабаттардың тебісуі әлсіреп, коагуляциялық контактілер берік-тігі жоғары атомдық байланыстарға ауысады. Яғни φ_cr2 дегеніміз жүйедегі бөлшектердің арасында атомдық байланыстар түзі-летін дисперстік фазаның концентрациясы. φ_cr2 мәнінен жоғары концентрацияларда дисперсті жүйелер қатты тәрізді пласти-калық денелерге айналып, тек Р > Р_ст (Р_ст – статикалық шекті жылжу кернеуі) болғанда ағады. Деформациялар қайтымсыз болып, үлкен жылжулық кернеулерде реологиялық қисықтың ньютондық бөлігі орын алмайды, себебі жүйенің біркелкі күйі бұзылады. Әдетте коагуляциялық құрылымды жүйелер үшін φ_cr1 - φ_cr2 концентрациялар диапазоны үлкен болып, көлемдік пайыздың бірнеше ондығын құрайды.
Екінші типтегі құрылымдар түзілетін дисперсті жүйелердің реологиялық сипаты. Мұндай қатты бөлшектері бар жүйелерге реологиялық дилатансия құбылысы тән. Реологиялық дилатансия – жылжудың кернеуі немесе жылдамдығының артуымен жүйе тұтқырлығының қайтымды өсуі. Дилатанттық жүйелердің ағу мен тиімді тұтқырлығының қисықтары 76-суретте келтірілген. Аз жылжу кернеулерінде мұндай жүйе-лердің тұтқырлығы төмен әрі жүктеменің біршама аралағында тұрақты болып қалады. Ары қарай кернеудің белгілі мәніне жеткенде тұтқырлық күрт өседі. Ағу қисықтарында аққыштық шегі болмайды. Егер дилатантты жүйелердің реологиялық қисықтары Оствальд-Вейль теңдеуімен сипатталса, дәреже көрсеткіші n > 1 болады.

Қазіргі көзқарастарға бойынша реологиялық дилатансия-ның механизмі келесіде. Төмен жылжу кернеулердің аймағында бөлшектер оңай қозғалады, себебі айқасатын беттік қабаттар бөлшектердің тебісуіне әкеледі. Бөлшектердің қозғалуына кеңістіктік құрылымдағы вакансиялар да қолайлы жағдай туғызады. Нәтижесінде кернеудің аз мәндерінде жүйенің тиімді тұтқырлығы төмен болып қала береді. Жылжулық кернеудің артуымен реттелген құрылым ретсізденеді. Құрылымның мұндай қайта құрылуында жүйеде жоғары шоқталған кернеулер пайда болып, олардың әсерінен беттік қабаттардың кедергісі жойылады да бөлшектердің арасында атомдық байланыстар түзіледі. Мұндай контактілердің саны жүктеменің артуымен көбейеіп, нәтижесінде жүйенің деформациялануына кедергі жасайтын құрылымдық тор пайда болады. Жүктемені алғаннан кейін беттік қабаттардың өзара тебісуінен реттелген құрылым тез арада өз қалпына келеді.

жүктеу 5,89 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 93 94 95 96 97 98 99 100 ... 105