Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение сдвиговых вязкоупругих свойств жидкостей и выявление природы релаксационных процессов, протекающих в них, являются актуальными проблемами физики конденсированного состояния. Вязкоупругие параметры сред являются их важнейшими характеристиками как в научном плане, так и в практическом отношении. Они необходимы в качестве контролируемых величин в расчетах, связанных с процессами создания новых конструкций машин, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства. Реологические измерения служат эффективным методом исследования природы физико-химических свойств веществ и особенностей их атомно-молекулярного строения.
В изучении вязкоупругих свойств жидкостей важную роль играют акустические методы, которые остаются основным инструментом, позволяющим получить значения модулей сдвиговой упругости (G' и G"), характеризующих вязкоупругое поведение жидкости. Структурные изменения в вязкоупругих материалах можно оценивать как по их модулю сдвига, так и по параметрам внутреннего трения.
Наиболее важным методом исследования вязкоупругих свойств жидкостей является изучение реакции жидкости на сдвиговые воздействия с определенной частотой. Принято считать, что сдвиговая упругость жидкостей может проявляться только в высокочастотном режиме: при частотах сдвиговых колебаний 1010 Гц и выше, сравнимых с частотой перескоков отдельных частиц жидкости. Однако в работах Базарона У.Б., Дерягина Б.В. и Булгадаева А.В. впервые было обнаружено наличие сдвиговой упругости у различных жидкостей при относительно низкой частоте 74 кГц. Наличие сдвиговой упругости у жидкостей при частотах сдвиговых колебаний порядка 105 Гц, независимо от их вязкости и полярности, свидетельствует о том, что классические представления о природе жидкого состояния вещества нуждаются в дальнейшем развитии. Было предположено, что в жидкости имеется низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс с периодом релаксации, намного превышающим время оседлого существования отдельных частиц жидкости. В результате исследований было обнаружено, что тангенс угла механи-
ческих потерь для всех исследованных жидкостей меньше единицы. В соответствии с реологической моделью Максвелла, это означает, что частота релаксации вязкоупругого процесса ниже частоты эксперимента. Для более глубокого понимания природы низкочастотного вязкоупругого релаксационного процесса необходимы систематические частотные и температурные реологические исследования.
Развитие модельных представлений о природе жидкого состояния, изучение сдвиговых вязкоупругих свойств жидкостей при низких частотах, выявление природы релаксационных процессов в них имеют важное фундаментальное значение.
Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук в соответствии с приоритетным направлением СО РАН 2.1. «Актуальные проблемы физики конденсированного состояния», а также в рамках проекта 2.7.2.5. «Структурно-релаксационные процессы в неоднородных системах с наноразмерными частицами и в стеклообразных полупроводниках». Работа была поддержана Американским и Российским акустическими обществами (2000, 2007) и Австрийским научным фондом (2008). Выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 98-01-00503-а, 04-02-26671-3, 05-02-16584-а, 07-02-90103-Монг-а, 08-02-08186-3, 08-02-98008, 09-02-00748-а.
Целью данной работы является установление механизма низкочастотной релаксации в жидкостях на основе кластерной модели и экспериментальное акустическое исследование сдвиговых свойств различных вязкоупругих материалов (вязких жидкостей и коллоидов).
Для реализации поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:
-
Создание приближенной кластерной модели поведения вязкоупругих материалов при низкочастотном сдвиговом воздействии.
-
Разработка и модификация экспериментальных установок резонансного метода измерения вязкоупругих свойств жидкости (на частотах ниже 105 Гц).
-
Исследование вязкоупругих свойств смесей растворов природных полимеров, буровых и пропиточных растворов.
4. Исследование сдвиговых свойств суспензий наночастиц акустическим и реологическим методами.
Методы и объекты исследований. Исследовались различные жидкости, смеси полимеров, пропиточные растворы, коллоидные суспензии наночастиц. При измерениях вязкоупругих свойств использован акустический резонансный метод, вискозиметрия, реологический метод крутильных колебаний. Наряду с этим в работе использован модельный подход.
Предмет исследования. Закономерности, взаимосвязи, качественные и количественные оценки низкочастотной вязкоупругой релаксации в жидкостях.
Научная новизна.
-
Резонансным акустическим методом с применением пьезок-варцевого вибратора впервые получены значения действительного и мнимого модулей сдвига, тангенса угла механических потерь различных жидкостей при частотах сдвиговых колебаний ниже 105 Гц.
-
Проведено исследование вязкоупругих свойств смесей растворов природных полимеров при двух частотах 40 и 74 кГц. Показано, что при определенном соотношении компонентов смеси (20% коллагена в карбоксиметилцеллюлозе) наблюдается минимум модуля упругости и максимум тангенса угла механических потерь. Такое поведение объясняется преобладанием в смеси данной концентрации химического взаимодействия над механическим. Установлено, что предел прочности на разрыв твердых пленок, полученных методом полива растворов этой смеси, проходит через минимум при том же соотношении компонентов.
-
Впервые проведено исследование низкочастотной сдвиговой упругости пропиточных и буровых растворов (битума и пека в дизельном топливе, креозота) при различных температурах, частотах и амплитудах сдвиговой деформации.
-
Получены новые экспериментальные значения низкочастотного комплексного модуля сдвига для ряда пропиточных и буровых растворов. Показано, что модуль сдвига и сдвиговая вязкость уменьшаются при увеличении амплитуды внешнего сдвигового воздействия в несколько раз.
-
Резонансным методом с применением камертонного резонатора были измерены вязкоупругие свойства ряда жидкостей на час-
тоте сдвиговых колебаний 3,1 кГц. Проведен расчет сдвиговых вяз-коупругих свойств ряда жидкостей.
-
Показана возможность определения молекулярной массы полимеров по экспериментально измеренному модулю сдвига. Определены действительный и мнимый модули сдвига 13 фракций полистирола. Предложена приближенная формула, устанавливающая количественную связь между двумя важными характеристиками -модулем сдвига и молекулярной массой полимера. При увеличении молекулярной массы полистирола (ПС) от 480000 до 5050000 модуль сдвига растворов ПС растет от 32 кПа до 199 кПа.
-
Впервые определены сдвиговые параметры коллоидных суспензий наночастиц иттрий-алюминиевого граната в этиленгликоле реологическим методом на частотах 0,01 - 100 Гц. Изучена частотная зависимость модулей сдвига коллоидных суспензий этих наночастиц. Показано, что сдвиговые вязкоупругие свойства коллоидных суспензий наночастиц зависят от концентрации, размеров наночастиц и амплитуды сдвиговой деформации. В результате экспериментальных исследований установлено, что положение максимума мнимого модуля сдвига смещается в сторону больших частот с увеличением концентрации наночастиц в суспензии.
-
В рамках кластерной модели впервые проведена оценка энергии активации U процесса низкочастотной вязкоупругой релаксации в вазелиновом масле, из которой следует, что низкочастотная релаксация в жидкостях относится к низкоэнергетическим процессам U ~ 22 кДж/моль. Дана энтропийная трактовка предэкспонен-циального множителя в выражении для времени релаксации. Проведена оценка числа единиц в кластере вазелинового масла z~ 102-103 единиц.
Научная обоснованность и достоверность экспериментальных результатов подтверждается согласованностью результатов при измерении вязкоупругих свойств жидкостей резонансным методом и известными апробированными методами, проведением дополняющих друг друга контрольных измерений, а также согласием с результатами других исследователей.
Практическая ценность.
1. Разработанные резонансные методы измерения комплексного модуля сдвига позволяют установить вязкоупругие свойства широкого класса жидкостей.
-
Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологии пропитки пористо-капиллярных твердых тел, в частности, древесины, так как большинство технологических процессов существенно зависят от вязкоупругих свойств пропиточных растворов (креозота, битума и пека в дизельном топливе).
-
Предложенная методика расчета, устанавливающая количественную связь между модулем сдвига и молекулярной массой полимера, позволяет проводить оценку молекулярной массы по результатам измерений вязкоупругих свойств полимерных растворов.
Реализация результатов исследований. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Бурятского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации были представлены, обсуждены и одобрены на: региональной научной конференции «Исследования в области молекулярной физики» (Улан-Удэ, 1994, 1996), международной научной конференции «Достижения в области гетерогенных сред» (Москва, 1995), сессиях Российского акустического общества (Москва, 1997-2010, Нижний Новгород, 2007, Саратов, 2011), 9-й Сибирской школе молодых ученых (Новосибирск, 1998), Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск, 1999), научном семинаре Акустического института «Акустика неоднородных сред» (Москва, 1999, 2001, 2012), семинаре кафедры акустики физического факультета МГУ (Москва, 2000), втором конгрессе Словенского акустического общества (Любляна, 2000), международной конференции по нелинейной акустике (Москва, 2002), международной конференции по физике жидкого состояния (Киев, 2003, 2005), международном конгрессе по ультразвуку (Париж, 2003, Пекин, 2005), международной конференции по поверхностным силам (Звенигород, 2002, Москва, 2010), семинаре института гидродинамики СО РАН «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 2008), международном конгрессе по шумам и вибрациям (Прага, 2004, Вена, 2006), 233-й сессии Американского химического общества (Чикаго, 2007), Международном конгрессе по акустике (Париж, 2008), семинаре физического факультета Венского университета (Вена, 2009, 2010); 1, 2 и 3-й Всероссийских конференциях по на-номатериалам (Улан-Удэ, 2008, 2009, 2010), на ежегодных сессиях ОФП БНЦ СО РАН, ВСГУТУ, БГУ.
Личный вклад соискателя. Личный вклад автора состоит в выборе научного направления исследований, постановке и решении основных задач исследований. Основные результаты получены лично автором, отдельные результаты получены либо под его руководством, либо при его непосредственном участии. Автором сформулированы основные положения и выводы диссертационной работы.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 50 научных работ, в том числе 1 монография, 17 статей в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 189 наименований. Работа изложена на 185 страницах, включая 59 рисунков и 17 таблиц.
