Ерітінді тұтқырлығының негізгі заңдылықтары және оған макромолекулардың әсері (полимерлер, кластерлер)

Ерітінді тұтқырлығының негізгі заңдылықтары және оған макромолекулардың әсері (полимерлер, кластерлер)

         Кластерлер ерітінділерінің ең тән ерекшеліктерінің бірі тұтқырлыққа әсері болып табылады, төмен-молекулалық қосылыстардың ерітінділерімен салыстырғанда өте жоғары, әртүрлі жылдамдық ағымында тұрақсыз, температураға қатты тәуелді, ерітіндінің концентрациясымен сызықсыз өзгеретін және полимердің молекулалық салмағымен белгілі бір арақатынаспен байланысты [1].

         Соңғы онжылдықтарда кластерлер ерітінділерінің тұтқырлығының ерекшеліктері мұқият зерттеу пәні болды [1]. Қазір бұл ерекшеліктердің табиғаты әлі анық емес, және олардың көріністеріндегі заңдылықтарды жеткілікті зерттелген деп санауға болмайды. Бірақ анықталған фактілер мен теориялық есептер жоғары кластерлер түзетін жүйелердің қасиеттерін белгілі шамада болжауға және оларды алудың технологиялық процестерін басқаруға мүмкіндік береді [2].

         Ерітінділер мен сілікпе кластерлердің тұтқырлығын зерттеуде соңғы жылдардың табыстары едәуір дәрежеде сұйықтықтың құрылысы теориясы мен таза сұйықтықтардың тұтқырлығы механизмінің саласындағы жетістіктерге міндетті. Осы жаңа ұғымдардың негіздері осы оқу құралында қысқаша баяндалған.

         Тұтқырлық (ішкі үйкеліс) – сұйық, сондай – ақ газ тәрізді және қатты денелердің сыртқы күштердің әсерінен дененің бір қабатының екіншісіне қатысты қозғалуына кедергі жасау қасиеті [4]. Тұтқырлықтың шамасы ағымдылық шамасына кері және әсіресе сұйықтықтарға тән. Тұтқырлығы жылу қозғалысымен, молекулалардың өлшемі мен формасымен, олардың өзара әрекеттесуімен (ораумен) және молекулалық күштердің әсерімен анықталады.

         Сұйықтықтың тұтқырлығын зерттеу көптеген маңызды өндірістік мәселелерді шешу үшін үлкен маңызға ие. Мысалы, сұйықтықты араластыруға қажетті энергия мөлшері сұйықтықтың тұтқырлығына тікелей тәуелді болады, сондықтан тұтқырлық мәндерін және оның өзгеру заңдылықтарын білмей қажетті нақты өндірістік есептерді жүргізуге болмайды [2].

         Сұйықтықтың тұтқырлығын сұйықтықтың бір қабатының басқасына қатысты қозғалуына қарсылық ретінде анықтауға болады. Әртүрлі сұйықтықтардың тұтқырлығы бір-бірінен өте ерекшеленеді. Мысалы, эфир өте нәзік "ішкі үйкеліс" бар, ал глицерин жоғары тұтқырлыққа ие. Өте жоғары тұтқырлығы бар сұйықтықтар көптеген жағдайларда қатты заттар сияқты [1]. Ішкі үйкеліс Молекулалардың өзара әрекеттесуі салдарынан сұйықтықта пайда болады. Екі дененің жанасу орнында пайда болатын сыртқы үйкелістен айырмашылығы, ішкі үйкеліс қозғалу ортасының ішінде қозғалу жылдамдығы әртүрлі қабаттар арасында орын алады. Сұйықтықтың тұтқырлығы оның көлемнің өзгеруінсіз форманың өзгеруіне қарсылығы бойынша өлшенеді [1].

         Сұйықтықтың тұтқырлық коэффициенті (немесе ішкі үйкеліс) сұйықтықтың бір-біріне тең, бір-біріне тең жылдамдықпен қозғалмайтын қабаттың бойымен және бір-біріне тең арақашықтықта беті бар сұйықтықтың қабатының ығысуы үшін қажетті күш ретінде анықталады.

         Сұйықтықтың абсолюттік (немесе динамикалық) тұтқырлығы капиллярлы түтікше арқылы сұйықтықтың белгілі бір көлемінің өтуі үшін қажетті уақыт бойынша есептелуі мүмкін. Ағу ауырлық әсерінен (сұйықтыққа әсер ететін күш оның тығыздығына пропорционалды болғанда) немесе қысым әсерінен болуы мүмкін. Бұл ретте Пуазейль формуласын пайдаланады [4]:

η= π ∙ ΔΡ ∙ r⁴ ∙ τ / 8 ∙ l ∙ V,

мұнда η - динамикалық тұтқырлық, пз;

           ΔΡ - капиллярдың ұшындағы қысымның айырмашылығы, дин/см²;

            r - капиллярдың радиусы, см;

            l - капиллярдың ұзындығы, см;

           V-сұйықтық ағым көлемі (см³ ) ағымы уақыт ішінде τ (с).

Егер сұйықтық өз салмағының әсерінен капиллярдан шықса, онда

ΔΡ = g ∙ H ∙ ρ,

мұнда g – ауырлық күшінің үдеуі;

           h - Вискозиметрдегі сұйықтық деңгейінің айырмасы;

           ρ-сұйықтықтың салыстырмалы тығыздығы.

Сонда

η = π ∙ g ∙ H ∙ ρ ∙ r⁴ ∙ τ / 8 ∙ l ∙ V.

         V, I және r шамалары осы вискозиметр үшін тұрақты, бағанның биіктігі да тұрақты болуы тиіс, сондықтан

π ∙ g ∙ H ∙ r⁴ / 8 ∙ I ∙ V = const = K.

         K шамасы тұрақты вискозиметр деп аталады. Ол белгілі тұтқырлығы бар осы вискозиметр сұйықтықтың өту уақыты бойынша есептеледі:

K = η₀ /ρ₀ ∙ τ₀,

мұндағы η₀, ρ₀, τ₀ - тұтқырлығы, тығыздығы және калибрлеу сұйықтығының өту уақыты. K мәні вискозиметрге қоса берілген паспортта беріледі. Абсолюттік тұтқырлық формула бойынша есептеледі [3]

η = K ∙ τ ∙ ρ,

мұндағы η – тұтқырлық, пз;

                K – вискозиметрдың тұрақтысы;

                τ – ерітіндінің орташа аяқталу уақыты;

                ρ – 4°С кезінде судың тығыздығына қатысты өлшеу температурасы кезіндегі ерітіндінің тығыздығы.

         Көптеген мақсаттар үшін, алайда, екі сұйықтықтың тұтқырлығын капиллярлы вискозиметрдегі екі сұйықтықтың өту уақытын өлшеу жолымен салыстыру жеткілікті. Егер осы сұйықтықтардың бірінің абсолюттік тұтқырлығы белгілі болса, онда екіншісінің абсолюттік тұтқырлығы сұйықтықтың тығыздығына түзетумен немесе түзетусіз екі аяқталу уақыты көрсеткіштерінің арақатынасы бойынша есептеледі. Әдеттегі стандарт ретінде қызмет етеді су бар тұтқырлығы η₂₀ = 1 спуаз (сантипуаз – жүзден үлесі пуаза – бірлік тұтқырлығын жүйесінде CGS). СИ жүйесінде тұтқырлық бірлігі үшін Па∙с (Паскаль – секунд) қабылданды. Сұйықтықтың физикалық-химиялық сипаттамасы ретінде тұтқырлығы ағынның жылдамдығы мен геометриясы (түрлері мен өлшемдері) кең шектерінде өзгергенде тұрақты және сонымен бірге үлкен диапазондағы сұйықтықтың температурасына, қысымына және табиғатына байланысты өзгереді: аз тұтқыр сұйықтықтарда абсолютті бірліктен 10^-3 бастап 10^-2 дейін (су, әдеттегі температурада бензин), тоңазытылған сұйықтықтарда (шыны, шайыр) 10¹² дейін және одан жоғары [3].

         Температура көтерілген сайын сұйықтықтың тұтқырлығы тез төмендейді және температура 40°C көтерілгенде көбінесе жартысына төмендейді. Бұл температураның жоғарылауымен молекулалар арасындағы орташа қашықтық ұлғаяды және олардың арасындағы өзара тарту азаяды (ілеспе сұйықтықтарда бұл ассоциация дәрежесінің төмендеуімен бірге жүреді) [1].

         Органикалық заттар үшін тұтқырлығы молекулалық салмағының өсуімен, полярлық топтардың молекуласына енгізумен, әсіресе молекулада циклдер болғанда, майлайтын майлардың жоғары тұтқырлығымен түсіндіріледі [2].

         Динамикалық тұтқырлықтан басқа, кинематикалық тұтқырлықтың шамасы жиі қолданылады, ол осы сұйықтықтың сол температурада оның тығыздығына абсолюттік тұтқырлығының қатынасы болып табылады [4]

ν = η / ρ,

мұнда h - динамикалық тұтқырлық;

           ρ - сұйықтықтың тығыздығы.

         См²/с өлшемдігі бар бірлік Стокс деп аталады (ст.), оның жүздеген бөлігі сантистокс деп аталады.). Осылайша, 1 ст. 1 г/см³ тығыздығы бар сұйықтықтың тұтқырлығы болып табылады, ол 1 см қашықтықта орналасқан 1 см² ауданы екі қабатының 1 см/с жылдамдығымен өзара қозғалғанда 1 динге тең қарсылық көрсетеді [3].

         Барлық мәліметтер бойынша қоспалардың тұтқырлығы молекулалардың орташа диаметріне байланысты. Сондықтан сұйықтықтың тұтқырлығы коллоидтердің аз мөлшерде болғанда қатты өзгереді, олардың бөлшектері еріткіштің молекулаларынан едәуір көп. Сұйылтылған суспензияларда, эмульсиялар мен коллоидтық ерітінділерде тұтқырлығы V₂/V₁=ω ортаның көлемді толтыруының ұлғаюымен сызықтық өседі және бөлшектердің өлшеміне байланысты емес (V₁ – дисперсиялық ортаның көлемі, V₂ – дисперсиялық фазаның көлемі) [1].

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

1. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 2007. 536 с.

2. Тагер А.А. Растворы высокомолекулярных соединений. Л.: Наука, 1951. 207 с.

3. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. 440 с.

4. Бреслер С. Е. Успехи химии и технологии полимеров. 1957. № 2, с. 110.