Коллоидтық жүйелердің тиімді тұтқырлығының ағу жылдамдығына тәуелділігі.

Кірнелердің ағ уының қ арапайым жеке сұ йық тық тардан немесе шын тө менгі молекулалық қ осылыстардан айырмашылығ ы, біріншілерде ө лшенген кү йде ө лшемдері молекулалардың ө лшемдерінен асатын коллоидтық бө лшектердің болуына байланысты. Мұ ндай бө лшектердің болуы ағ ып жатқ ан сұ йық тық тың жеке молекулаларының жолын ө згертеді жә не жеке қ абаттардың араласуына жағ дай жасайды. Осының нә тижесінде дисперстік жү йелерде ерте турбуленттілік, яғ ни ө лшенген бө лшектері жоқ сұ йық тарғ а қ арағ анда тө мен Рейнольдс сандары кезінде ламинарлы ағ удың турбуленттіге ауысуы байқ алады. Сонымен қ атар, коллоидтық бө лшектер ағ ындағ ы сұ йық тық тың кең істігін тарылтады да, сұ йық тық ағ ынына перпендикуллярлы бағ ытта орташа градиент жылдамдығ ын арттырады. Осының салдарынан кірненің тұ тқ ырлығ ы дисперсиялық ортаның тұ тқ ырлығ ынан жоғ ары болады.

Кө птеген кірнелердің ерекшеліктерінің бірі - ол Ньютон жә не Пуазейль тең деулеріне бағ ынбауы. Қ арапайым сұ йық тық тар ү шін уақ ыт бірлігінде капилляр арқ ылы ө ткен сұ йық тық кө лемі каппиллярдың соң ындағ ы жә не басындағ ы р қ ысымдардың айырмашылығ ына тура пропорционалды. Дә л осындай қ арапайым сұ йық тық тар ү шін ішкі цилиндрдің айналу бұ рышы мен сыртқ ы цилиндрдің айналу жылдамдық тарының (Ф.Н.Шведов вискозиметрі тектес ротациялық қ ұ рылғ ыларда) арасында тура тә уелділік байқ алады. Кө птеген кірнелерде, майғ ындарда жә не ү лкен молекулалық заттар ерітінділерінде мұ ндай тә уелділік жоқ, ал сә йкес келетін тең деумен есептелген тұ тқ ырлық тың айнымалы мә ні бар жә не ол жылдамдық градиентінің функциясы болып келеді. Басқ а сө збен айтқ анда, кө птеген дисперстік жү йелердің тұ тқ ырлығ ы жү йенің инвариантты сипаттамасы болмайды, ол анық талу жағ дайларына, мысалы сұ йық тық тың вискозиметрдегі ағ у жылдамдығ ына, қ ұ рылғ ының типі мен ө лшеміне тә уелді болады.

Ньютон жә не Пуазейль заң дарына ұ зартылғ ан бө лшектері жә не деформациялануғ а қ абілетті бө лшектері бар коллоидтық жү йелер, сонымен қ атар, қ ұ рылымданғ ан коллоидтық жү йелер бағ ынбайды. Созылың қ ы, таяқ ша тә різді бө лшектері бар коллоидтық жү йелердің тұ тқ ырлық ты ағ уының аномалиясының себебі ағ уғ а жағ дай жасайтын ығ ысу кернеуінің ө суіне байланысты. Мұ ндай бө лшектер ө здерінің ұ зын осьтерімен ағ ын бағ ытында бағ ытталады, нә тижесінде гидродинамикалық кернеу азайып, сұ йық тық тың қ озғ алысы тездетіледі. Созылың қ ы бө лшектердің ағ ын бағ ытында бағ ытталуын жылдамдық тың ө сетін градиентінде кірнелерде сә уленің қ осарлана сыныун ө лшеу арқ ылы оң ай тү сіндіруге болады.

Деформацияланатын бө лшектері бар жү йелер, мысалы майғ ындарда да осындай тә уелділік байқ алады. Берілетін ығ ыстыру кернеуінің ө суі жә не ағ у жылдамдық тарының ө суімен капиллярлы фазаның тамшылары ұ зарады, шарлардан эллипсоидтарғ а айналады да ағ уды оң айлатады жә не тұ тқ ырлық ты тө мендетеді. Осындай жағ дайлар иілгіш жұ мырланғ ан макромолекулалары бар жоғ ары молекулалы қ осылыстардың ерітінділері ақ қ анда да байқ алады. Мұ нда тұ тқ ырлық тың азаюы молекулалардың жазылуы мен ағ ын бағ ытына қ арай бағ ытталуына байланысты. Ә рине, барлық айтылғ ан жағ дайларда байқ алатын немесе тиімді тұ тқ ырлық туралы айтылғ ан, себебі сұ йық тық тың шын тұ тқ ырлығ ы ағ у жылдамдығ ына тә уелсіз.

Ньютон жә не Пуазейль заң дарына қ ұ рылымданғ ан сұ йық тық тар да бағ ынбайды. Ү лкен практикалық маң ызы мен бірқ атар принципиалды ерекшеліктеріне байланысты қ ұ рылымданғ ан сұ йық тық тардың тұ тқ ырлығ ын бө лек қ арастырғ ан жө н.

Қ орытындылайтын болсақ, Ньютон заң ына бағ ынатын сұ йық тық тарды нормалды, ал Ньютон заң ына бағ ынбайтын жү йелерді аномальді сұ йық тық тар деп атайды. Капиллярлы вискозиметрмен жұ мыс істегенде зерттелетін сұ йық тық аномальді немесе нормальді екенін анық тайтын қ арапайым ә діс бар. Ол ү шін сұ йық тық ағ ып бітетін артық қ ысымды р белгілі сұ йық тық кө лемінің ағ ып ө тетін уақ ытына кө бейтеміз. Пуазейль тең деуін былай кө рсетуге болады:

бұ дан рτ ө рнегі ағ уды болдырғ ан қ ысымғ а тә уелсіз болса, онда сұ йық тық нормальді, ал егер тә уелді болса, онда аномальді болады.

Ротациялық вискозиметрмен жұ мыс істегенде мұ ндай кө рсеткіш ретінде цилиндрдің айналуын қ амтамасыз етіп тұ рғ ан салмақ шамасына уақ ыт бірлігіндегі цилиндрдің айналымдарының санының тә уелсіздігін келтіруге болады.

2.3 Қ ұ рылымдық тұ тқ ырлық

Жоғ арыда кө рсетілгендей, қ ұ рылымданғ ан жү йелер Ньютон заң ына бағ ынбайды. Бұ л сұ йық тық та бір-бірімен байланыссыз қ ұ рылымдар ү зінділерінің болуымен, немесе жү йеге салыстырмалы аз кү ш ә сер еткеннен бұ зыла алатын азберіктікті тұ тас қ ұ рылымдық тордың болуымен сипатталады.

Бірінші жағ дайда жү йе ағ у кезінде сұ йық тық секілді болады, онда бағ ыттала немесе деформациялана алатын жү згін бө лшектер бар. Қ ұ рылымдық тордың ү зінділері ағ ыстағ ы қ абаттардың ә р-тү рлі жылдамдық тарының нә тижесінде бұ зылады, ал бұ зылғ ан тордың жеке элементтері, егерде созылың қ ы пішінді болса, ө зінің ұ зын осі бойынша ағ ыс бағ ытында бағ ытталады.

Екінші жағ дай қ иындау. Басында Ф.Н. Шведов, сонан соң Бингам қ ұ рылымның бұ зылуына керекті белгілі ѳ дағ дарыстық мә нінен ығ ысудың р кернеуі асатын болса, яғ ни р – ѳ > 0 шарты орындала бастағ анда ғ ана беріктігі аз кең істіктік қ ұ рылымды жү йенің ағ уы басталады деп ойлады. Мұ ндай ағ ысты Бингам пластикалық, ал ѳ ығ ысудың дағ дарыстық кернеуін ақ қ ыштық тың шегі деп атады.

Пластикалық ағ ысы бар жү йелер ү шін Ньютон тең деуі Бингам тең деуімен ауыстырылуы керек:

P- ѳ =η ¹ (du/dx)

Немесе: P =η ¹ (du/dx)+ ѳ (2.9.)

мұ нда η ¹ - жү йенің пластикалық ағ ысына сә йкес келетін тұ тқ ырлық (пластикалық тұ тқ ырлық).

Қ ұ рылымдық тор болмағ анда ѳ мә ні нольге тең есіп, Бингам тең деуі Ньютон тең деуіне ал пластикалық тұ тқ ырлық η ¹ сұ йық тық тың шын тұ тқ ырлығ ына айналады. Бингамның ойынша, р ѳ - ден асқ ан уақ ытта жү йенің тұ тқ ырлығ ы бірден тұ рақ ты мә нге ие болады. Мұ ндай жағ дайда du/dx- р- мен тә уелділігі тү зу сызық ты болады (2.5. сурет).

ѳ p ѳ f ѳ B ѳ макс p

Суретке сә йкес пластикалық тұ тқ ырлық ты былай ө рнектеуге болады:

(2.10.)

мұ нда - абцисса осімен тү зудің арасындағ ы бұ рыш.

Бингам тең деуіне бағ ынатын жү йелердің мысалына саз қ ойыртпақ тары жә не консистенттік жақ қ ыштарды келтіруге болады. Алайда кө птеген қ ұ рылымданғ ан коллоидтық жү йелер ү шін du/dx- р- мен тә уелділігі тү зу сызық пен емес, қ исық пен ө рнектеледі (2.6.-сурет). Мұ ндай қ ұ былыстың себебі ақ қ ыштық тың шегіне жеткенде қ ұ рылым бірден емес, ақ ырындап сұ йық тық тың қ озғ алыс жылдамдығ ының градиентінің ө суіне байланысты бұ зылады. Соғ ан қ арағ анда, ығ ыстырудың ү ш дағ дарыстық кернеуін ажыратуғ а болады: 1) θ - бірінші немесе минималды ақ қ ыштық шегі, ол ағ удың басталуына сә йкес келеді (қ ұ рылымның бұ зылуының басына); 2) θ _в- Бингам бойынша ақ қ ыштық шегі, ол қ исық тың тік сызық ты аумағ ын жалғ астырғ анда абцисса осін қ иып ө ткендегі кесіндіге сә йкес келеді; 3) θ - ақ қ ыштық тың максималды шегі, ол қ исық тү зу сызық қ а айналатын р мә ніне сә йкес келеді. Соғ ан қ арағ анда, θ - сұ йық тық тағ ы қ ұ рылым толығ ымен жойылатын кернеу болып келеді. Барлық ү ш шек те жү йеде кездесетін қ ұ рылымдардың механикалық қ асиеттерін сипаттайды.

Коллоидтық жү йелердің қ ұ рылымдық тұ тқ ырлығ ын П.А. Ребиндер жә не оның мектебі, сонымен қ атар А.А. Трапезников қ ызметкерлерімен бірге зерттеген. Бұ л жұ мыстардың нә тижесінде ағ удың ә ртү рлі жылдамдығ ында коагуляциялық қ ұ рылымда бір-біріне қ арама-қ арсы екі ү деріс - бұ зылу жә не қ айта қ алпына келтіру жү ретіні анық талды. Бұ л тұ рақ талғ ан ағ ыстағ ы ү дерістер арасындағ ы тепе-тең дік кү йді тиімділік тұ тқ ырлығ ы сипаттайды.

Жү йенің ө те аз жылдамдық тарында мардымсыз бұ зылулар болады, себебі ағ ыспен айырылмастай байланысқ ан бұ зылулар ағ у ү дерісінің баяулығ ына байланысты тиксотропты қ айтадан қ алпына келіп ү лгереді де, жү йенің ағ уын қ ұ рылымның бұ зылуынсыз жү реді деп айтуғ а болады, яғ ни сырғ у қ ұ былысы байқ алады.

Ағ удың ү лкен жылдамдық тарында жү йенің қ ұ рылымы айтарлық тай бұ зылады, бұ л уақ ытта бұ зылғ ан қ ұ рылым ү деріст ің тездігіне байланысты мардымсыз ғ ана қ айта қ алпына келеді.

Қ ұ рылымданғ ан сұ йық тық тар мен пластикалық денелердің ағ уын сипаттау ү шін пластикалық емес, жү йедегі ығ ысу кернеуінің ө суімен азаятын η тиімді тұ тқ ырлық ты пайдалану керек.

2.7 – сурет.

Ығ ысу кернеуінің аз шамасында тиімді тұ тқ ырлық тың ү лкен мә ні болады, ол бұ зылмағ ан қ ұ рылымы бар сұ йық тық тың η тұ тқ ырлығ ына сә йкес болады. Ығ ысудың ү лкен кернеулерінде тиімді тұ тқ ырлық қ ұ рылымның толық бұ зылуына (ағ ыстың ламинарлығ ының сақ талуы жағ дайында) сә йкес келетін шекті мә ніне дейін азаяды. Қ ұ рылымданғ ан жү йелер ү шін, П.А. Ребиндер бойынша, ағ удың қ исық тары (du/dx p) жә не тұ тқ ырлық тың ығ ыстыру кернеуіне тә уелділігі 2.7.- суретте кө рсетілгендей кескінделген.

Қ ұ рылымданғ ан коллоидтық жү йелер тұ тқ ырлығ ы оны анық тау жағ дайларына, соның ішінде ол ө лшенген кездегі жылдамдық градиентіне тә уелді. Сондық тан мұ ндай жү йелердің тұ тқ ырлық тарының мә ндерін олар тек Рейнольдс санының бірдей мә ндерімен сипатталатын кү йлерде ғ ана табылғ анда салыстыруғ а болады. Сондай–ақ кірнелердің де тұ тқ ырлық тарын ығ ыстырудың бір ғ ана мә нінде анық тамай р мә нінің жеткілікті ү лкен аралығ ында жү йенің реологиялық қ асиеттерін сипаттайтын du/dx, р қ исық тарын алу керек. Алайда бір ғ ана вискозиметрді қ олданып, бірдей жағ дайларда ө лшегенде жү йенің қ ашан дайындалғ андығ ына, оның алғ ы тарихына байланысты қ андайда белгілі жү йе ү шін табылғ ан тұ тқ ырлық тың мә ндері айтарлық тай ө згереді. Мысалы, коллоидтық жү йенің ұ зақ уақ ыт тұ рғ анында оның тұ тқ ырлығ ы қ ұ рылымдану процесіне байланысты біртіндеп ө седі. Мұ ндай тұ тқ ырлық тың ө згерістерін темір тотығ ының гидраты немесе ванадийдің бес тотық ты зольдері ү шін байқ ауғ а болады. Бір жағ ынан, механикалық ә сердің нә тижесінде, мысалы жү йенің капилляр арқ ылы ө туі кезінде жү йеде тү зілген қ ұ рылымдар бұ зылуы мү мкін, соның салдарынан тұ тқ ырлығ ы азаяды. Тікелей бірінен кейін бірі капиллярлы вискозиметрдің кө мегімен тұ тқ ырлық тарды ө лшеу кезінде белгілі шекке ұ мтылатын, ү здіксіз азаятын мә ндердің алынуы осымен тү сіндіріледі.