Низкочастотные вязкоупругие свойства полимерных жидкостей Дембелова, Туяна Сергеевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Известно, что развитие теории жидкости значительно отстает по сравнению с теориями газов и твердого тела. В этой связи исследования физических свойств жидкостей и накопление соответствующих данных имеет фундаментальное значение для формирования представлений о природе жидкого состояния вещества. Одним из действенных методов в этом направлении является изучение реакции жидкости на динамические возмущения, например, на сдвиговое воздействие с определенной частотой. Согласно классическим теориям, сдвиговая упругость жидкостей может быть обнаружена только при частотах 10⁹ Гц и выше, сравнимых с частотой перескоков отдельных частиц жидкости. Однако, в работах У.Б.Базарона, Б.В.Дерягина, А.В.Булгадаева было обнаружено, что жидкости независимо от их вязкости и теплофизических свойств обладают сдвиговой упругостью при частоте сдвиговых колебаний порядка 10⁵ Гц. Это означает, что в жидкости имеется низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс с периодом релаксации, намного превышающим время оседлой жизни частицы жидкости. Возможно, он обусловлен коллективным взаимодействием больших групп молекул. Было показано, что тангенс угла механических потерь для всех исследованных жидкостей меньше единицы. В соответствии с реологической моделью Максвелла это означает, что частота релаксации этого процесса ниже частоты эксперимента. Исследования зависимости модуля сдвига от величины угла сдвиговой деформации показали, что сдвиговая упругость у жидкостей уменьшается с увеличением угла сдвиговой деформации. Аналогичным образом ведет себя и вязкость, рассчитанная по реологической модели Максвелла. При малых углах сдвига (7'-12') существует область линейной упругости, подчиняющаяся закону Гука. Этой области может соответствовать особая структура жидкости, разрушающаяся с увеличением угла деформации. Поэтому для полного понимания механизма данного низкочастотного вязкоупругого релаксационного процесса актуальное значение имеет исследование сдвиговой упругости и вязкости в зависимости от температуры и величины угла сдвиговых деформаций гомологического ряда жидкостей, что позволяет приблизиться к частоте релаксации по мере изменения молекулярной массы. Важное значение имеет изучение вязкости жидкостей в области линейной упругости. Работа посвящена установлению связей между строением веществ и их феноменологическими свойствами, а также выявлению механизмов переноса импульса при вязком течении. Известна серия работ, устанавливающих связь между теплофизическими и упругими свойствами конденсированных систем [Леонтьев К.Л. // Акустический журнал. 1981. Т.27. Вып.4; Конторова Т.А. ЖТФ. 1958. Т.28. Вып.8. и др.] По данным сдвиговой упругости можно оценить теплофизические характеристики исследуемых жидкостей. Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках государственных бюджетных тем 1990-2006 гг., научных проектов №2.1.1.6 «Флуктуационно- релаксационные и теплофизические процессы в ннокристаллических и в аморфных системах» 2007-2009 гг., №2.7.2.5 «Структурно-релаксационные процессы в неоднородных системах с наноразмерными частицами и в стеклообразных полупроводниках»2010-2011гг. Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук.

Целью работы является исследование низкочастотных вязкоупругих свойств гомологических рядов полимерных жидкостей полиметилсилоксанов (ПМС) и полиэтилсилоксанов (ПЭС) и коллоидных суспензий наночастиц на их основе, а также изучение вязкости жидкостей при предельно малых градиентах скорости течения.

Основные задачи, которые решались в диссертации:

1. Экспериментальное определение акустическим резонансным методом комплексного модуля сдвига гомологических рядов ПМС- и ПЭС- жидкостей при частоте сдвиговых колебаний 73 кГц.

2. Установление взаимосвязи комплексного модуля сдвига полимера с длиной цепочки и степенью усложнения структуры.

3. Исследование температурной зависимости низкочастотной сдвиговой упругости полимерных жидкостей.

4. Изучение низкочастотных вязкоупругих свойств полимерных жидкостей и суспензий наночастиц на их основе акустическим резонансным методом в нелинейной области.

5. Разработка методики измерения и исследование динамической вязкости жидкостей при предельно малых градиентах скорости течения.

6. Создание качественной модели, описывающей особенности вязкоупругого поведения полимерных жидкостей при низких частотах.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

6. 1. Акустическим резонансным методом измерен низкочастотный (73 кГц) комплексный модуль сдвига и тангенс угла механических потерь ПМС и ПЭС жидкостей при малых углах сдвиговых деформаций.

   2. Выявлены особенности вязкоупругого поведения полимерных жидкостей в зависимости от длины и степени усложнения цепочек при сдвиговых колебаниях.

   3. Впервые изучена температурная зависимость низкочастотной сдвиговой упругости ПЭС-жидкостей. Обнаружено возрастание динамического модуля сдвига полимерных жидкостей с увеличением температуры до определенного значения.

   4. .Исследованы особенности нелинейных вязкоупругих свойств полимерных жидкостей ПЭС-1, ПЭС-2 и синтетического масла РЖ-10-3.

   5. Впервые исследованы низкочастотные вязкоупругие свойства суспензий наночастиц и определен характер их зависимости от угла сдвиговой деформации.

   6. Разработана методика измерения вязкости, разработан и создан вискозиметр для исследования динамической вязкости жидкостей при предельно малых градиентах скорости течения.

   7. Предложена качественная модель, описывающая вязкоупругое поведение полимерных жидкостей в условиях низкочастотных сдвиговых деформаций и малых градиентов скорости течения.

   Научная достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается согласием экспериментальных данных и теоретических оценок, соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем, удовлетворительным согласием с результатами исследований других авторов, анализом погрешности измерений, повторяемостью данных многочисленных экспериментов.

   Практическая ценность

   6. 7. 1. Полученные данные о физико-механических характеристиках полимерных жидкостей позволяют подобрать рабочие жидкости с оптимальными параметрами для применения в различных технических системах.

         2. Результаты исследования вязкоупругих свойств полимерных жидкостей и коллоидных суспензий на их основе будут необходимы при разработке высокоэффективных консистентных смазочных средств, повышающих износостойкость и надежность машин и механизмов.

         3. Обнаруженный эффект повышения вязкости при малых градиентах скорости течения жидкостей может быть полезен для объяснения процессов, где преобладают медленные течения, например, в грунтоведении, почвоведении, в процессах фильтрации жидкостей и растворов через искусственные и естественные мембраны, пропитке и т.п., имеющих важное практическое приложение.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         1. Результаты экспериментальных исследований вязкоупругих свойств жидких полимеров ПЭС и ПМС при малых углах сдвиговых деформаций при частоте сдвиговых колебаний порядка 10⁵ Гц.

         2. Установленные закономерности изменения вязкоупругих характеристик в зависимости от усложнения строения полимерных жидкостей.

         3. Особенности зависимости динамического модуля сдвига полимерных жидкостей и коллоидных суспензий наночастиц на их основе от величины сдвиговой деформации.

         4. Обнаруженное явление повышения динамической вязкости жидкостей при малых градиентах скорости течения, связанное со структурированием жидкости.

         5. Различие структуры жидкостей в покое и движении. Жидкости обладают особой структурой, подобной тиксотропной структуре коллоидных растворов, в них происходят сравнительно медленные молекулярные процессы, связанные с перестройкой структуры.

         6. Качественная модель полимерной жидкости, позволяющая объяснить ее поведение под действием механических возмущений.

         Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, выполнении экспериментальных исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные результаты получены лично автором, отдельные результаты получены либо под его руководством, либо при непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах по теме диссертации автору принадлежит определяющий вклад.

         Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X, XIII международной конференции "Поверхностные силы" (Москва, 1992, 2006); 3-ем научном семинаре СНГ "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1994, 2001, 2003, 2007); II международном семинаре "Достижения в области гетерогенных сред" (Москва, 1995); на X, XVIII, XIX, XXII, XXIV сессиях Российского акустического общества (Москва, 2000, 2006, 2007, 2010, 2011);

         международном конгрессе по ультразвуку (Франция, 2002; Китай, 2005; Франция, 2008), I, II, III международных конференциях "Физика жидкого состояния" (Украина, 2001, 2003, 2005). XI, XIII конгрессах по звуку и вибрациям (Санкт-Петербург, 2004; Австрия, 2006), на Байкальской молодежной школе по фундаментальной физике "Взаимодействие излучений и полей с веществом" (Иркутск, 1999г.); на всероссийской конференции с международным участием «Физика окружающей среды (Томск, 2011), на 2-м Всероссийском семинаре «Физико-химия поверхностей» (Москва, 2010); на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 2011); III международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Улан-Удэ, 2005), Всероссийской конференции по макромолекулярной химии (Улан-Удэ, 2008), на Всероссийской научно- практической конференции «Наноматериалы и нанотехнологии» (Улан-Удэ, 2008, 2009).

         Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, из них 15 в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и 5 глав с выводами, заключения и списка литературы. Содержит 250 страниц текста, 67 рисунков, 7 таблиц. Список литературы состоит из 256 наименований.

         Похожие диссертации на Низкочастотные вязкоупругие свойства полимерных жидкостей

         Нейтронные исследования равновесных и кинетических свойств жидкостейБулавин, Леонид Анатольевич

         

         Вязкоупругие и теплофизические свойства жидкостей и стеклообразных систем в модели возбужденного состоянияЦыдыпов Шулун Балдоржиевич

         

         Разработка теоретических и экспериментальных основ определения комплекса термических и теплофизических свойств жидкостей и растворов в калориметре теплового потокаЗарипов Зуфар Ибрагимович

         

         Вопросы теории термодинамических и кинетических свойств жидкостей и жидких кристаллов вблизи точек фазовых переходовСалахутдинов Мэлс Икрамович

         Влияние температуры, давления и магнитного поля на изменение теплофизических свойств магнитных жидкостейДжураев, Дадахон Собиржонович

         

         Термические и калорические свойства перегретых жидкостей Башкатов Николай Васильевич

         

         Равновесные свойства полярных жидкостей вблизи границы раздела жидкость-газ Ковальчук Елена Юрьевна

         

         Методы подбора жидкостей с заданными свойствамиОхоцимский, Андрей Дмитриевич

         

         Упругие и термодинамические свойства ряда кремнийорганических жидкостей при давлениях до 600 МПа по акустическим измерениям Каграманян Людвиг Сергеевич

         

         Релаксация вязкоупругих свойств анизотропных и изотропных жидкостейСурнычев Вячеслав Владимирович