Теоретические основы.

Кафедра общей и агрономической химии

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Студентам 2-го курса агрономического и 3-го курса технологического факультетов к лабораторной работе по

коллоидной химии на тему:

«Использование вискозиметрии для изучения

Симферополь 2004.

Методические рекомендации подготовлены к. т. н., доц. Ножко Е.С.

Рекомендованы к изданию на заседании кафедры общей и органической химии.

Протокол № 4 от «16» декабря 2003 года.

И Советом технологического факультета

Протокол № 7 от «23» января 2004 года.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией агрономического факультета.

Протокол № 3 от «16» декабря 2003 года.

Рецензенты: к.х.н., доц. КАПКС Валкина Е.М., к.б.н., доц. КГАТУ Глумова Н.В.

Ответственный за выпуск зав. кафедрой. Общей и агрономической химии, профессор Гапиенко А.А.

Целью лабораторной работы является изучение возможностей применения метода вискозиметрии для исследования физико-химических свойств высокомолекулярных соединений.

Задачей настоящей работы является приобретение навыков работы с капиллярным вискозиметром и практическое применение этих навыков для решения научно-исследовательских проблем.

Теоретические основы.

Одним из важнейших свойств коллоидных растворов высокомолекулярных соединений является вязкость. Изучение вязко текущих свойств дисперсных систем широко используется для исследования их структуры.

При ламинарном течении жидкости, вязкость определяется согласно уравнению Ньютона градиентом скорости dи /dx и коэффициентом внутреннего трения ŋ:

Р= ŋ dи /dх (1.1)

Ламинарное течение жидкости по капилляру можно охарактеризовать и уравнением Пуазейля:

= r⁴ P/8 ŋ l (21)

-объёмная скорость течения, м³/с;

Р- приложенное давление или напряжение на сдвиг, Па;

r- радиус капилляра, м;

l- длина капилляра, м;

ŋ - вязкость, Па с.

Системы, подчиняющиеся при течении законам Ньютона и Пуазейля называются ньютоновскими или нормальными. Для них соблюдается уравнение Эйнштейна:

ŋ = ŋ ₀(1+) (1.3)

где:

ŋ -вязкость дисперсной системы;

ŋ ₀ -вязкость дисперсной среды;

-объёмная доля дисперсной фазы;

-коэффициент формы частиц;

для сферических =1, 5.

Уравнение Эйнштейна можно записать иначе:

(ŋ -ŋ ₀) /ŋ ₀ = (1.4), где

(ŋ -ŋ ₀) /ŋ ₀-удельная вязкость, ŋ уд.

Таким образом, для «идеальных» жидкостей существует линейная зависимость между удельной вязкостью и объёмной концентрацией вещества. Частицы удлиненной формы способны деформироваться и не подчиняться законам Ньютона и Пуазейля, структурированные дисперсные системы тоже.

Если в системе образовалась непрочная пространственная структура, то такая система при течении подчиняется уравнению Бингама, предполагающему ньютоновское течение системы после разрушения структуры:

Р – О = ŋ ^/ dи / dх (1.5), где:

О- напряжение на сдвиг, необходимое для начала течения (предел текучести).

ŋ ^/- пластическая вязкость – часть ньютоновской вязкости ŋ, не учитывающей прочности структуры, характеризуемой величиной О, но отображающей её разрушение, (рис. 1).

Рис.1. Кривые течения ньютоновской жидкости(1) и бингамовской системы(2).

Для многих структурированных дисперсных систем реологические кривые более сложные, так как структура разрушается не сразу, а по мере увеличения Р. (рис 2).

Рис.2. Кривая течения структурированной системы.

На кривой имеются 3 характерных участка: 1-ОА: при малых нагрузках система движется без разрушения структуры, т.е. ведёт себя подобно ньютоновской жидкости с большей вязкостью:

ŋ _max = ctq ₁

Р_m-минимальное напряжение, необходимое для полного разрушения структуры- предельное напряжение сдвига. При напряжениях Р›Р_m система течет подобно ньютоновской жидкости, имеющей вязкость: ŋ _min = ctq ₂,

Рис.3. Модели капиллярных вискозиметров:

А)по Оствальду; В)по Убеллоде;

Для нахождения относительной и абсолютной вязкости определяют время течения определённого объёма жидкости между двумя точками:

ŋ _отн = ŋ / ŋ _о = (1.6), где:

ŋ и ŋ _о -вязкости раствора и растворителя;

и -время истечения раствора и растворителя.

Удельную вязкость можно рассчитать по формуле:

ŋ _уд = (ŋ - ŋ _о) / ŋ _о ≈ ŋ _отн-1= / (1.7)

Отношение ŋ _уд/с, где с- концентрация раствора в г/100мл раствора, называется приведённой вязкостью:

ŋ _привед =ŋ _уд/с, (1.8)

Рассчитав для каждой концентрации приведённую вязкость, можно построить график в координатах ŋ _уд/с=t(c).

Если экстраполировать зависимость на нулевую концентрацию, можно определить значение характеристической вязкости:

[ ŋ ] =lim (ŋ _уд/с) c 0 (1.9)

Это отрезок, отсекаемый на оси ординат (рис.4)

Рис.4. Зависимость приведённой вязкости растворов ВМС от концентрации.

Значение характеристической вязкости необходимо для определения молекулярной массы полимера по уравнению Марка-Хувинка:

[ ŋ ] =kM² (1.10)

где k и - константы системы полимер-растворитель при данной температуре выражает степень свёртывания и гибкость цепи. Для палочкообразных молекул 1, а для свёрнутых в глобулу 0, 5. Значение констант для некоторых систем дано в приложении 1.