Лабораторная работа

Дата: 30.10.12 г. Выполнили: Забагрина Галина,

Соловьев Виталий,

биохим, 4 курс, 1 группа, 2 подгруппа

Лабораторная работа №4.

Исследование реологических свойств дисперсных систем с помощью вискозиметра.

Цель работы: С помощью ротационного вискозиметра Воларовича РВ-8 изучить реологические свойства дисперсной системы, вычислить ее реологические постоянные.

Теоретическая часть.

Реология — это наука, изучающая совокупность механических свойств материалов — упругость, эластичность, пластичность, текучесть и т.д., т.е. таких свойств, которые характеризует способность тел изменять форму, деформироваться под действием внешних усилий.

Задача реологии заключается в том, чтобы найти общие законы, понятия, отражающие поведение под воздействием нагрузки как простых (жидкости, твердые тела), так и реологически сложных материалов. Необходимо также установить связь состава и структуры материала с характером его деформации, с реологическими константами (вязкостью, упругостью, предельным напряжением сдвига).

Реологические свойства дисперсной системы сильно зависят от энергии взаимодействия между частицами дисперсной фазы, которая в свою очередь определяется составом системы, состоянием поверхности слоев частиц: потенциалом и толщиной двойного слоя, толщиной и механическими свойствами адсорбционного слоя поверхностно-активных веществ или полимеров. От концентрации дисперсных частиц зависит среднее расстояние между ними и, следовательно, энергия взаимодействия частиц.

Обратимое изотермическое разрушение структуры при механических воздействиях и ее последующее восстановление называется тиксотропией. Для тиксотропного восстановления требуется некоторое время. Это время особенно велико у гелей (структурированных коллоидных растворов).

Тиксотропные свойства коллоидных систем проявляются при изучении вязкости таких систем в зависимости от напряжения сдвига. При малых напряжениях наблюдается медленное течение с линейной зависимостью и очень малым наклоном, соответствующим высоким значениям _max в уравнении Ньютона.

Время перемещения частиц от одного контакта к другому превышает время установления контакта. Связи успевают обратимо установиться и течение происходит при неразрушенной структуре. Эти явления называются ползучестью.

Далее, с ростом  начинается постепенное разрушение временных контактов между частицами и образование других. Для многих пластичных тел этот участок линейный (уравнение Шведова-Бингама):

Величина _d находимая путем экстраполяции прямой 2 на ось  , называется предельным динамическим напряжением сдвига. Величина ^* носит название пластической вязкости. При отсутствии потенциального барьера V_max<<RT происходит непосредственный фазовый контакт (h₀=0) частиц, что ведет к образованию прочной, но хрупкой структурной сетки. Такие структуры называются кристаллизационными. Дисперсные системы с кристаллизационной структурой при малых напряжениях сдвига не текут и обладают до некоторого предельного напряжения сдвига _s свойствами твердообразных тел. Предельное статическое напряжение сдвига _s по своему физическому смыслу аналогично _к для твердых тел. При кристаллизационная структура разрушается (как правило необратимо) и у системы появляются свойства текучести. Общая реологическая кривая такой системы имеет вид, отличающийся от реологической кривой дисперсной системы с коагуляционной структурой только начальным участком.

Экспериментальная часть.

При исследовании сильно тиксотропных высоковязких систем нельзя применять капиллярные вискозиметры, поскольку время протекания раствора через капилляр может оказаться меньше времени, которое требуется для установления стационарного потока. В ротационных вискозиметрах к жидкости прикладывается постоянное напряжение сдвига или обеспечена постоянная скорость движения жидкости в течение достаточно продолжительного промежутка времени.

Ротационный вискозиметр РВ-8 служит для определения вязкости систем в пределах от 5П (0,5 Пас) до 10⁷П (10⁶ Пас), т.е. для исследования высоковязких концентрированных дисперсных систем (смазочных масел, битумов, глин, красок и т.д.). Прибор РВ-8 может быть использован для определения предельного напряжения сдвига _s (предела текучести) высококонцентрированных дисперсных систем с _s от 5н/м² до 10⁴н/м².

Схема установки.

Устройство ротационного вискозиметра: на рисунке приведена принципиальная схема ротационного вискозиметра РВ-8.

Прибор состоит из двух коаксиальных цилиндров 1 и 2, в пространство между ними помещается исследуемый коллоидный раствор. Цилиндр 1 неподвижен, он закрепляется на крышке прибора 3. Цилиндр 2 связан со шкивом 6, приводящимся во вращение под действием грузов, которые кладут на чашки 10. Тормозное устройство 5 позволяет разъединять шкив и цилиндр 2 и, таким образом, поворачивать шкив, не вращая внутренний цилиндр. Последнее важно при работе с неньютоновскими жидкостями, т.к. вращение цилиндра при подъеме грузов может нарушить внутреннюю структуру жидкости и исказить результаты опыта.

Рис. Схема ротационного вискозиметра РВ-8.

1.Наружный цилиндр; 2.Внутренний цилиндр; 3.Крышка прибора; 4.Стойка прибора; 5.Тормоз; 6.Шкив; 7.Лимб; 8.Стрелка лимба; 9.Нить; 10.Чашки весов.

Прибор РВ-8 является первичным вискозиметром, т.е. позволяет вычислить вязкость в абсолютных единицах (в пуазах, ) непосредственно из размеров прибора и скорости вращения цилиндра 2 и не требует калибровки.

Для ротационных вискозиметров градиент скорости в уравнении Ньютона (1) пропорционален скорости вращения внутреннего цилиндра, а напряжение сдвига  пропорционально силе (грузу) под действием которой происходит вращение. Тогда уравнение Ньютона (1) приобретает вид: (2)

где Р — груз (г), вращающий цилиндр вискозиметра (сумма двух равных грузов на чашках и масса обоих чашек); Р₀ — собственное трение подшипников, которое мало (обычно 1-1,5 г) и много меньше Р, поэтому предполагают, что Р₀  0; N — число оборотов в секунду; К — константа, зависящая от глубины h погружения внутреннего цилиндра в раствор и геометрических размеров цилиндров 1, 2 и шкива 6. Для прибора, установленного в лаборатории значение К можно вычислить по уравнению:

(3)

Предельное напряжение сдвига дисперсных систем вычисляется в дин/см² по формуле

_s = К₁Р₁ (4)

где Р₁ — минимальный груз, при котором начинается, при постепенном увеличении нагрузки, вращение внутреннего цилиндра вискозиметра; К₁ — константа ротационного вискозиметра для предельного напряжения сдвига, значение которой можно вычислить по формуле:

(5)

Порядок выполнения работы.

На чашки весов положим минимальный одинаковый груз весом 1 грамм, закрепим втулку шкива 6 при помощи тормоза 5 и намотаем нить 9, вращая шкив по часовой стрелке. При наматывании нити проследим за тем, чтобы витки ложились по возможности параллельно друг другу.

Установим стрелку 8 вблизи нулевого деления лимба 7 и, опустив тормоз 5, приведем внутренний цилиндр во вращение.

Увеличим груз на чашках (на 2 г). При этом обе чашке следует нагружать обязательно одинаково. Проводим измерение скорости вращения цилиндра по пункту 3. Измерение ведем до тех пор, пока еще удается достаточно точно фиксировать время оборота.

Определим Р в уравнении (2) как сумму груза на обоих чашках и веса чашек. Результаты занесем в таблицу.

Таблица

Груз, г	P, г	t, с	Количество оборотов, n об.	N=n/t, об/с	η, П
0	24	536	1	1.86*10^-3	7716.13
2	26	420	1	2.38*10^-3	6532.77
4	28	372	1	2.69*10^-3	6224.53
6	30	248	1	4.03*10^-3	4451.61
8	32	152	1	6.58*10^-3	2908.21
10	34	84	1	1.19*10^-2	1708.57
12	36	70	1	1.43*10^-2	1505.45
14	38	68	1	1.47*10^-2	1545.85
16	40	56	1	1.78*10^-2	1343.82

Пример расчёта: h = 4.3см

p₀ ≈ 0

К=0.598

График 1. Неправильный.

Отметим на кривой N от Р участки, соответствующие твердообразным свойствам раствора, ползучести (1), пластическому течению (2) и течению с полностью разрушенной структурой (3). По линейному участку экстраполяцией найдем значение Р_d , отвечающее предельному динамическому напряжению сдвига _d. Рассчитаем _d по формуле:

(6)

K₁ = 24.4

P_d = 26 г _d = 24.4*26 = 634.4 дин/см²

Величину пластической вязкости раствора ^* найдем как котангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс, умноженной на константу К вискозиметра.

^* = K₁ ctg α ^* = 0.598*107.3 = 64.16 П

Построим график зависимость  = f (P).

Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы исследовали реологические свойства дисперсной системы с помощью визкозиметра. Вычислили постоянную визкозиметра К=0,598, а также рассчитали эффективную вязкость раствора η. Построили график зависимости N от Р. Отсутствие линейной зависимости N от Р позволяет отнести раствор – вазелин – к неньютоновой жидкости. Экстраполяцией нашли значение Р_d = 26 г, которое отвечает предельному динамическому напряжению сдвига τ_d = 634.4 дин/см² и определила величину пластической вязкости ^* = 64.16 П. Построили график зависимости  = f (P).