Шын серпімділікті көрсететін коллоидтық жүйелердің механикалық қасиеттері.

Алдың ғ ы бө лімде коллоидтық жү йелердің қ ұ рылымды-механикалық ерекшеліктерін қ арастырғ анда біз бұ л жү йелерді сұ йық тық тар деп есептедік. Алайда коллоидтық жү йелердің бірқ атар қ асиеттерін, егерде оларды қ атты дене деп қ арастырсақ, тү сіндіруге болады. Соң ғ ы жағ дай серпімділіктің немесе эластикалық тың белгілі дә режесі бар жә не ақ қ ыштық тың шын шегімен сипатталатын (серпімділік шегі) яғ ни ағ у тіпті байқ алмайтын ығ ысу кернеуінің шегі болатын коллоидтық жү йелерді зерттегенде ү йлесімді. Ә детте мұ ндай қ асиеттер жеткілікті концентрленген қ атты тә різдес сірнелер жә не конденсациялы-кристалданғ ан қ ұ рылымы бар жү йелерге тә н.

Алайда серпімді сірнелердің механикалық қ асиеттерін қ арастырмастан бұ рын, ығ ысу модулі жә не кернеудің релаксациялық периоды секілді жү йелердің қ асиеттерінің сипаттамаларына тоқ талайық.

Ығ ысу модулі Е ә рбір дененің қ аттылығ ын жә не оның пішінін сақ тау қ абілеттерін сипаттайды. Бұ л шаманы белгілі Гук тең деуінен шығ арып алуғ а болады:

ε =Р/Е (2.11)

мұ нда ε -шын қ атты денелердегі ығ ысудың салыстырмалы деформациясы; Р- ығ ысу кернеуі.

Бұ л тең деу тек аз деформациялар ү шін ә ділетті, себебі серпімділік шегі деп аталатын, белгілі дағ дарыстық кернеу кезінде дене ө зінің серпімді қ асиеттерін жоғ алтады жә не қ алдық деформацияларды сақ тап қ алады. Е ығ ысу модулі жү ктеме берудің бірдей жылдамдық тары кезінде дененің табиғ атына жә не температурасына тә уелді. Қ атты денелер ү шін Е шамасы ө те ү лкен мә ндерге, ал шын сұ йық тық тарда Е=0 жетеді, себебі алғ а ұ мтылудың қ андай болмасын аз шамасы сұ йық тық тың ағ уына ә келеді. Тө менде бірқ атар заттар ү шін Е ығ ысу модулі мә ндерінің (кгс\см²) мысалдары келтірілген:

желатина

0, 5 % ерітіндісі 4*10^-10

10 % ерітіндісі (тоң азытпа) 5*10^-12

каучук 1, 7*10²

қ орғ асын 4, 8*10⁴

тал (емен) 8*10⁴

болат 8*10⁵

А.А. Трапезников жү йенің сипаттамалы реологиялық параметрі деформацияның жоғ ары жылдамдық тарында тез релаксацияланатын жү йелерде ығ ысу шекті қ айтымды деформациясы ε _макс болатынын кө рсетті. Ә ртү рлі коллоидтық жү йелерде ол ә рқ алай болуы мү мкін. Мысалы, қ ойыртпақ тарда ол бірнеше немесе бірнеше ондағ ан пайыз, ал эластикалық сірнелерде жә не полимерлердің бірқ атар ерітінділерінде он мың дағ ан пайыздар болуы мү мкін. Мұ ндай мә ндер каучуктердің ығ ысу шекті қ айтымды деформацияларының ә деттегі шамаларынан ө те кө п.

Релаксация периоды (немесе уақ ыты) материалдық жү йенің молекулалары немесе басқ а қ ұ рылымдық элементтерінің бірқ атар қ озғ алғ ыштығ ының барлығ ына жіне бір-біріне қ атысты орналасу қ абілетіне байланысты. Осының нә тижесінде денеде оның деформациялануынан туғ ан кернеу уақ ыт ө ткеннен кейін белгілі дә режеде " сорылады " алады. Мұ ндай уақ ыт аралығ ында кернеудің азаю ү дерісін релаксация деп атайды. Релаксация жылулық қ озғ алыстың нә тижесі жә не оның жалпы сипатты балады.

Релаксациялана алатын жү йелердің деформациясын суреттейтін бірқ атар тең деулер берілген. Ең қ арапайымы Максвелл тең деуі, ол серпімді-тұ тқ ыр дене теориясынан шығ ады:

DP/dτ =E(dε /dτ)-(P/τ ^*) (2.12)

мұ нда τ ^* - релаксация периоды немесе уақ ыты деп аталатын тұ рақ ты.

Тұ рақ ты температурада Максвелл тең деуі релаксацияның негізгі сапалық заң дылық тарын береді. Егер дененің деформациясын тұ рақ ты етіп ұ стаса (ε =0), онда dε /dτ =0, сонда Максвелл тең деуінен Р кернеу уақ ыт бойынша мына заң мен ө згереді:

(dP/dτ)+(P/τ ^*)=0 (2.13)

бұ л тең деуді интегралдап, мынаны аламыз:

Р=Р₀ е^{-τ /τ *} (2.14)

Бұ дан уақ ыт ө ткен сайын деформацияланғ ан денедегі кернеу экспоненциалды заң бойынша азаятының, ал релаксациялау жылдамдығ ын сипаттайтын τ ^* тұ рақ ты, дененің бастапқ ы кернеуі, деформация тұ рақ ты болғ анда, е=2, 72 есе азаятын (натурал логарифмнің негізі) уақ ыт аралығ ына тең екенін байқ аймыз.

Тө мен тұ тқ ырлық ты сұ йық тық тардың кернеуінің релаксациялық периоды молекулалардың кө п қ озғ алғ ыштығ ының нә тижесінде ө те аз болады. Тұ тқ ырлық тың кө беюімен сұ йық тық тардың релаксация периоды артып, қ атты денелердің кернеуінің релаксация уақ ытына жақ ындайды. Кристалдар ү шін релаксация процесі ө те баяу жү реді. Тө менде мысал ретінде бірқ атар заттардың кернеуінің релаксация периодының мә ндері τ ^* (с) берілген:

Су 3*10^-6

Ү пілмә лік майы 2*10^-3

Копал лагы 2*10

Канифоль (55˚ С) 5*10

Желатин, 0, 5 % еріт. 8*10²

Канифоль (12˚ С) 4*10⁶

Идеал қ атты заттар ∞

Желатинаның ө те сұ йылтылғ ан 0, 5% сулы ерітіндісінің салыстырмалы ү лкен релаксация периоды назар аудартады. Бұ л ерітіндінің релаксация периоды сұ йық тық тардың кернеуінің релаксация периодына қ арағ анда қ атты денелердің кернеуінің релаксация периодына жақ ын. Бұ л желатина ерітіндісінде қ айта топтасу ү шін салыстырмалы кө п уақ ыт керек ететін салыстырмалы ү лкен қ ұ рылымдық элементтердің (желатина макромолекулалары) болуымен тү сіндіріледі.

Кө біне реал денелердің деформациясы кезінде релаксация қ ұ былысымен қ атар кешіккен серпімділік атты қ ұ былыс байқ алады. Релаксация серпімді деформацияның пластикалық қ а ауысуына ә келсе, кешіккен серпімділік толығ ымен серпімді деформация тез арада пайда болмауымен байқ алады (идеал қ атты денелердегідей). Бұ л деформацияның жартысы серпімді деформация берілген кернеуге сә йкес келетін мә нге тек қ ана белгілі уақ ыт аралығ ынан кейін жететіндей уақ ыт бойынша дамиды. Кешіккен серпімділік, неғ ұ рлым қ атты дененің қ ұ рылымы біртексіз болса, соғ ұ рлым кү штірек байқ алады. Шын серпімділігі бар қ атты тә різдес микрогетерогендік жә не коллоидтық жү йелердің механикалық қ асиеттерін қ арастыруғ а оралайық. Мұ ндай жү йелерге поликристалды металдар, ә ртү рлі қ ұ рылымданғ ан дисперстік жү йелер, сірнелер,

сабындардың концентрлі ерітінділері, сонымен қ атар тек қ ана серпімділік емес, сондай-ақ жоғ ары эластикалық қ асиеттер кө рсететін жоғ ары молекулалық заттар жә не олардың ерітін- ділері жатады. Бұ л жү йелердің барлығ ының қ асиеттері мардымсыз деформация кезінде идеалды серпімді денелердің қ асиеттеріне сай.
2.8. – сурет. Лездік серпімділігі, кешіккен серпімділігі, ағ уы анық талғ ан жү йелер ү шін тұ рақ ты кернеу кезіндегі деформацияның ε уақ ытқ а τ тә уелділігі.

Алайда қ ұ рылымдық тордың бұ зылуына ә келетін кернеулерде бұ л жү йелер тұ тқ ыр сұ йық тық тар секілді ағ а алады, сонымен қ атар олардың тиімді тұ тқ ырлығ ы ағ удың жылдамдығ ы немесе кернеудің ө суімен ә рдайым азаяды.

Кө п жағ дайларда мұ ндай жү йелердің деформациясы кезінде серпімді (лездік) деформация, кешіккен серпімділік жә не ағ у қ ұ былыстары бір-біріне уақ ыт арасындағ ы жалпы деформацияның ө згерісінің 2.8 - суретте кө рсетілген сипаттамалы кө рінісін береді. Одан деформациялайтын кү штің ә серінен, мысалы Р ығ ысу кернеуінің τ ₁ уақ ытта жү йеге ә сер еткен кезде ε ₁ лездік серпімді деформация дамитының байқ аймыз. Бұ л деформацияғ а лездік ығ ысу модулі сә йкес келеді Е₁=Р/ε ₁. Сонан соң қ ұ рылымдық элементтердің қ айтымсыз қ айта топтасуының нә тижесінде жү йе ағ а бастайды. Сонымен қ атар жү йеде қ ұ рылымдық элементтердің қ айтымды қ айта топтасуының нә тижесінде ε ₂ деформациясына жағ дай жасайтын, кешіккен серпімділік дами бастайды. Бұ л баяу дамитын серпімді деформацияғ а Е₂=Р/ε ₂ ығ ысу модулі сә йкес келеді. Мұ ның бә рі 2.8-суретінде кө рсетілгендей қ исық тың, жү йенің ағ уына сә йкес келетін, қ андайда бір сызық қ а асимптотикалық жақ ындауына ә келеді. Егер бірқ атар уақ ыттан кейін τ ₂ кезінде деформациялаушы кү ш алынып тасталса, ε ₁ серпімді деформация дыбыс жылдамдығ ымен жоғ алып кетеді. Сонан соң біртіндеп кешіккен серпімділікпен жағ дай жасалғ ан ε ₂ деформациясы жоғ алады, ал ағ умен (шын релаксациямен) жағ дай жасалғ ан ε ₃ деформациясы қ айтымсыз болып қ алады.

Кейде осы жағ дайларда табылғ ан қ айтымсыз деформация шын пластикалық емес, пластикалық сияқ ты байқ алынатын деформация болып келеді, ол деформацияланғ ан дененің қ айта қ алпына келу ү дерісі ө те баяу жү руінің салдарынан болады. Соң ғ ы жағ дайда қ алдық деформация ішінара немесе толығ ымен, қ ұ рылымдық элементтердің тезірек қ айта топтасуына жағ дай жасайтын дененің белгілі ө ң деулерінен кейін (мысалы, қ ыздыру немесе еріткіште ісіну) жойылады. Бұ л сырттан берілетін жү ктемені алып тастағ аннан кейін деформацияланғ ан дененің жасырын серпімділігінің болуын кө рсетеді. Серпімділік, яғ ни дисперстік жү йенің деформациялаушы кү штің ә серін тоқ татқ аннан кейін бастапқ ы пішініне оралу қ абілеті, жү йенің ерекше қ ұ рылымы бар екенін кө рсетеді, ол қ ұ рылым элементтерінің бір-біріне қ атысты ығ ысуына кедергі жасайды.