Влияние химического состава корундовой суспензии на ее реологические свойства

УДК 522.648.24:541

В. В, Игиатенкова, А. В. Беспалов, В. Н. Грунский. И. А. Белова, Е. С. Лукин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КОРУНДОВОЙ СУСПЕНЗИИ НА ЕЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

The impact of content of dispersed phase and of chemical composition of disperse medium on the reobgica! characteristics of corundum suspensions was investigated. The type of contacts between particles in suspensions was determined according to the Yahnin’s model. The thixotropy phenomenon is typical of the investigated suspensions.

Изучено влияние содержания дисперсной фазы и химического состава дисперсионной среды на реологические свойства корундовых суспензии. Определен тип межчастичных контактов в суспензиях в соответствии с моделью Яхнина. Показано, что для исследованных суспензий характерно явление тиксотропии.

Задачей настоящего исследования являлось изучение влияния содержания дисперсной фазы и химического состава дисперсионной среды на реологические свойства суспензии на основе корунда, а так же определение типа межчастичных контактов в суспензии.

В литературе отсутствуют данные о реологических свойствах корундовых шликеров, применяемых для изготовления высокопористых проницаемых ячеистых материалов (ВГГЯМ) методом дублирования полимерной матрицы. Значения предельных (критических) напряжений сдвига для таких шликеров не определено.

Необходимость такого исследования объясняется зависимостью эксплуатационных характеристик керамических ВИЯМ и носителей на их основе от состава суспензии, применяемой для их изготовления, и содержания дисперсной фазы в ней.

В качестве дисперсной фазы использовали шихту корунда (а-АЬОз) с добавками оксидов магния, титана. В качестве дисперсионной среды - водные растворы поливинилового спирта (ПВС) различных концентраций.

Подробное описание методики эксперимента приведено в работе [1].

В результате обработки кривых течения суспензий определяют значения их реологических характеристик: предел текучести и пластическую вязкость. Предел текучести суспензии показывает механическое напряжение, дальше которого упругая, деформация тела переходит в пластическую, и определяется экстраполяцией линейного участка кривой течения до пересечения с осью абсцисс. Пластическая вязкость отражает скорость разрушения прочностной структуры, характеризуемой величиной Рт. Значение пластической вязкости определяют по тангенсам углов наклона линейных участков кривых течения [2].

В табл. 1 приведены результаты исследования реологических свойств корундовых шликеров различного химического состава.

Данные реологических измерений позволяют определить прочность единичных контактов Fx, формирующихся между частицами в дисперсных сис-

темах. Для этого применяют различные модельные представления о строении структуры. Для суспензий наиболее часто используют модель, предложенную Е.Д. Яхниным, в которой принимается, что структура представляет собой трехмерную решетку из агрегированных частиц [2]. В соответствии с этой моделью величина F, рассчитывается по уравнению:

F = Prdlр

pLAv-fpcn)

где Рт - предел текучести системы; d - средний размер частиц; <р - концентрация дисперсной фазы суспензии, выраженная в объемных долях; <ршах -концентрация, соответствующая плотной упаковке частиц; <pcri - первая критическая концентрация структурообразования; р - плотность дисперсной фазы; />о - плотность дисперсионной среды; р„т - плотность суспензии при максимально плотной упаковке частиц 1/>тах.

Табл. I. Реологические свойства суспензий на основе корунда

Состав шликера Предельное Пластическая

Жидкая, фаза ПВС в шликере, % масс. Т:Ж напряжение сдвига, Па вязкость t]*, Па-с

Вода 0 7.88 0,02

р-р ПВС, 3,33 % масс. 1 14,38 0,13

р-р ПВС, 6,67 % масс. 9 2,3:1 22,26 0,15

р-р ПВС, 10 % масс. 3 26,37 0,32

Вода 0 15,07 0,08

р-р ПВС, 3,57 % масс. 1 30,14 0,17

р-р ПВС, 7,14 % масс. 2 2,6:1 44,18 0,40

р-р ПВС, 10 % масс. 2,8 55,14 0,66

Вода 0 35,62 0,17

р-р ПВС, 4 % масс. 1 58,91 0,42

р-р ПВС, 8 % масс. 2 3:1 152,17 0,76

р-р ПВС, 10 % масс. 2,5 169,28 1,02

Плотность суспензии при максимально плотной упаковке частиц рассчитывается по уравнению:

Рпш = РФт* + А> 0 “ Ф«ш )

Объемную долю дисперсной фазы рассчитывают по формуле:

т!р

ф =--------

т,'р + т0:р0

где т и /и» - масса дисперсной фазы и дисперсионной среды в образце.

По показателю степени значения единичного контакта определяют тип межчастичного взаимодействия [2].

В соответствии с предложенной моделью были рассчитаны значения единичных контактов для приготовленных суспензий. Их величины лежат в диапазоне Р\ ~ 10 |г -г10"" Н, что соответствует образованию коагуляционных контактов между частицами (сцепления частиц через прослойки жидкости). Таким образом, суспензия обладает коагуляционной структурой. Такие структуры характеризуются высокой дефектностью. Поскольку они возникают в результате ван-дер-ваальсовских взаимодействий частиц, пространственный каркас в них относительно непрочен. Прочность систем с коагуляционными структурами определяется не механическими свойствами частиц, а прочностью межчастичных контактов и их числом на единицу площади сечения системы. Особенностью коагуляционных структур является также их обратимость - способность самопроизвольно восстанавливаться после механического разрушения, т.е. для них характерно явление тиксотропии [2, 3]. Для определения тиксотропии требуется снятие петли гистерезиса - напряжений сдвига при возрастающей и уменьшающейся скорости сдвига.

В работе [4] отмечается, что характерной особенностью суспензий, используемых для изготовления ВП.ЯМ методом дублирования полимерной матрицы, является тиксотропия.

На рис. 1 представлена петля гистерезиса кривой течения одной из приготовленных суспензий. Кривые течения суспензии других составов (см. табл.1) имеют аналогичный характер.

Рис. 1. Кривые течения корундового шликера (Т : Ж == 3:1; !% масс. ПВС в шликере) при наложении и снятии нагрузки.

Снятие нагрузки проводили сразу по достижении максимально возможного по условиям измерения напряжения сдвига, когда еще не успело установиться равновесие между прочностью структуры и напряжением сдвига. Необходимо отметить, что увеличение концентрации ПВС в шликере приводит к смещению кривой течения суспенизии в область больших напряжений сдвига (росту значения предельного напряжения сдвига), увеличению значений эффективной вязкости и росту сил единичного межчастич-ного контакта. Однако варьирование концентрации ПВС в шликере практически не отражается на площади петли гистерезиса кривых течения, т.е. на степень тиксотропности суспензии.

Изменение соотношения Т:Ж в сторону увеличения содержания дисперсной фазы в суспензии так же приводит к смещению кривой течения суспензии в область больших напряжений сдвига (росту значения предельного напряжения сдвига), увеличению значений эффективной вязкости и росту сил единичного межчастичного контакта. При увеличении содержания твердой фазы в суспензии (от 2,3:1 до 3:1) происходит увеличение площади петли гистерезиса кривой течения, то есть системе требуется больший интервал времени релаксации для восстановления пространственной сетки. Восстановление исследованных корундовых суспензий низкой наполненности по твердой фазе происходит очень быстро, что позволяет отнести их к стационарным псевдопластическим системам.

Библиографические ссылки.

1. Реологические свойства корундового шликера / В.В. Игнатенкова [и др.]; // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. / РХТУ им. Д.И. Менделеева [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажииа]. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. Т. XXIII.

2. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учеб. пособие для ВУЗов/ В.В. Назаров [и др.];/М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 374 с.

3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для ВУЗов. - 3-е изд. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 464 е.

4. Проблемы порошкового материаловедения. 4.II. Высокопористые проницаемые материалы / В.И. Анциферов [и др.];/ УрО РАН. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. 262 с.

УДК 628.33: 66.067.1

И. Ф. Ляпин, В. Н. Мынин, А. В. Синчук, Г. В. Терпугов, Д. Г. Терпугов.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ЭНЕРГИЯ ВОДЫ

Finding-out of ways of change redox potential (Eh) of water in wide range was the purpose of the given work. In research it was used two ways: chemical (IMaCI, soda, sugar) and physicochemical (membrane technology).