Способ исследования дисперсных систем

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследованиях реологических свойств дисперсных систем для определения пределов текучести, модуля сдвига, периода релаксации и других характеристик структурированных жидкостей. Для упрощения измерений, расширения их диапазона и снижения трудоемкости определения указанных свойств производят по изменению параметров гармонических колебаний погруженного в жидкость зонда при изменении величины возбуждающей силы от нуля до значений, предельных для используемого упругого элемента , причем период колебаний выбирают меньше периода релаксации исследуемой системы. Способ может найти применение в металлургической, химической, пищевой промышленности, а также в производстве строительных материалов и др. 2 ил. а to СП ;о сд

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1245950 (51)4 G01 N 11 16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСДНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,13 3

К АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3840848/24-25 (22) 09.01.85 (46) 23.07.86. Бюл. № 27 (71) Ждановский металлургический институт (72) В. Н. Гладкий и Н. Т. Шевелев (53) 532.137(088.8) (56) Путилов И. Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии.—

М.: Высшая школа, 1961, с. 257.

Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии.—

М.: Химия, 1964, с. 355 — 357. (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ (57) Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследованиях реологических свойств дисперсных систем для определения пределов текучести, модуля сдвига, периода релаксации и других характеристик структурированных жидкостей. Для упрощения измерений, расширения их диапазона и снижения трудоемкости определения указанных свойств производят по изменению параметров гармонических колебаний погруженного в жидкость зонда при изменении величины возбуждающей силы от нуля до значений, предельных для используемого упругого элемента, причем период колебаний выбирают меньше периода релаксации исследуемой системы. Способ может найти применение в металлургической, химической, пищевой промышленности, а также в производстве строительных материалов и др. 2 ил.

1245950 (2) 45

55 рт)в 1л р ZK — --+ — — — — —)

2 25 V 25

Изобретение относится к вибрационной реометрии и может быть использовано при исследованиях упругопластических свойств дисперсных систем, например коллоидов, для определения пределов текучести, модуля сдвига, периода релаксации, запаздываю5 щей упругости, эффективной вязкости и других характеристик структурированных жидкостей.

Целью изобретения является упрощение измерений колебаний, расширение их диапа- )0 зона и снижение их трудоемкости исследований.

На фиг. 1 и 2 представлены графики, поясняющие предлагаемый способ.

Для тонкой пластинки с боковой поверхностью S, совершающей в вязкой жидкости в своей плоскости вертикальные вынужденные гармонические колебания при сдвиге фаз ср = л/2 между амплитудой вынуждающей силы F и амплитудой А скорости (V =

= А со), последняя связана с вязкостью и плотностью р жидкости следующим соотношением

Аш= — (-)- "-)-,У" ).

25 25 25 2 где А — амплитуда вынужденных колебаний; 25 ь — круговая частота колебаний;

ZK — сумма коэффициентов, учитывающих потери энергии в колебательной системе, не связанные с объемными свойствами жидкости;

1 — ширина пластинки.

В колебательной системе, обладающей высокой добротностью, сумма ZK весьма незначительна, кроме того, величину S можно выбрать такой, что рЧ+ 1-)

25 2 25 поэтому отношение — - представляет собои

2S амплитуду напряжения сдвига Р, поддерживающего течение жидкости относительно пластинки, Тогда 40

Аш = и = Р (/ + — .+ — ) 2 25с 25о где v — скорость колебаний пластинки, откуда следует, что для жидкостей, свойства которых не изменяются с величиной приложенного напряжения сдвига (для ньютоновских жидкостей), зависимость (2) носит линейный характер.

Если свойства жидкости зависят от приложенного напряжения сдвига, линейный характер нарушается и, отмечая этот момент, можно определить соответствующее ему напряжение сдвига. Записав выражение (2) в виде и определив значение ХК в эксперименте с пластинкой, не погруженной в жидкость, можно определить величину кажущейся вязкости упругопластичной жидкости.

Кроме того, изменяя скачком значения Р, поддерживая его в дальнейшем постоянным и фиксируя изменение амплитуды или скорости вынужденных колебаний во времени, можно изучать процессы развития деформации в структурированных жидкостях, изучать процессы релаксации и тиксотропии, используя для расчетов известные формулы, описывающие взаимосвязь упругих и вязких свойств жидкости при действии на нее сдвигающих напряжений. Причем для того, чтобы иметь возможность изучать эти процессы, период колебаний вибрационного устройства выбирают меньше, чем период релаксации исследуемой дисперсной среды.

Способ может быть реализован следующим образом.

К колебательной системе вибрационного устройства жестко прикрепляют зонд, оканчивающийся пластинкой, погружаемой в среду. Величину силы F, вынуждающей колебания в подвесной системе, задают величиной тока I, подаваемого в цепь возбуждающего преобразователя от генератора сигналов. F = Ci 1. Причем частоту тока выбирают такой, чтобы обеспечить условие ср = „/2. Фиксируют величину ЭДС, генерируемую в измерительном преобразователе, пропорциональную скорости V колебаний зонда: U == Сг V, частоту колебаний, величину силы тока в возбуждающем преобразователе и время установления стабильных колебани й.

Величины коэффициентов С и Сг зависят только от конструктивных особенностей преобразователей и для данной конструкции вибрационного устройства являются постоянными. Значения Ci и Сг определяют калибровкой. С помощью измерителя вертикальных перемещений определяют величину амплитуды колебаний в зависимости от U, т. е. производят калибровку измерительного преобразователя, определяя значение коэффиU циента C =- — как угол наклона зависиА (О мости U == 1(А ю). Затем, используя жидкости с известными о и q и измеряя величину

ЭЛС и в зависимости от тока 1 при сдвиге фаз между вынуждающей силой и амплитудой колебаний y = л/2, определяют величины ZK и С Сг как значения коэффициентов линейного уравнения: у = ах — b, где х =—

= 1/U: у == 512рт)ь; а = Ci Сг, b = KK.

Прокалибровав вибрационное устройство, приступают к изучению реологических свойств исследуемых жидкостей. для чего прямоугольную пластинку погружают в жидкость и на возбуждающий преобразователь вибрационного устройства подают ток от генератора сигналов, начиная с нулевого его значения, отмечая величины 1, U, ь и вре!

245950 где U

Urn

Формула изобретения мя установления стабильных значений U, по достижении которых устанавливают новую величину тока 1 и т. д. Полученные таким образом данные представляют в виде графика зависимости (l = f(1), аналогичного одному из основных типов реологических кривых деформации, дающих представление о характере течения исследуемой среды.

Отмечают характерные точки на кривых и рассчитывают соответствующие этим точкам значения сдвиговых напряжений, используя результаты калибровочных опытов.

Рассчитывают также значения коэффициен-oB эффективной вязкости при различных величинах сдвигового напряжения, используя зависимость l/U = f(l) либо !/(/ = f(U) получая зависимость вязкости от скорости сдвиговой деформации. По зависимости амплитуды колебаний от времени при постоянном сдвиговом напряжении определяют величину периода релаксации г" жидкости.

Пример. Выявляют характер течения и сравнивают реологические характеристики касторового масла, 25- и 40%-ных водных суспензий каолиновой глины. Результаты представлены в виде графиков зависимости

1/U = f(l) (фиг. 1). Кривая 1 получена для

40%-ной водной суспензии каолина; кривая 2 — для касторового масла при 23 С, кривая 3 — для 25% ной водной суспензии каолина. Из графиков следует, что касторовое масло не проявляет в ходе опыта аномалий течения и ведет себя как ньютоновская жидкость, 25- и 40%-ные водные суспензии каолиновой глины в том же диапазоне напряжений сдвига проявляют аномалию течения, заключающуюся в переходе течения практически неразрушенной структуры в течение полностью разрушенной структуры, т. е. характеризующуюся разрушением структуры суспензий. При этом напряжение сдвига, отвечающее началу разрушения структуры

40%-ной суспензии глины Рз в 4 раза больше, чем для 25% ной суспензии P), а полное разрушение структуры у 40% ной суспензии происходит при напряжении сдвига Р в 2,7 раза большем, чем у 25% -ной суспензии Р .

Период релаксации т 40%-ной суспензии каолиновой глины определяют по зависимости амплитуды скорости колебаний зонда от времени при постоянной вынуждающей силе F = Ci 1 (фиг. 2, кривая 1). При этом величина U пропорциональна амплитуде скорости зонда (U = C>.V). Для расчетов использованы формулы, полученные для модели Кельвина, предусматривающей параллельное воздействие упругих и вязких сил жидкости на погруженное в нее тело.

В нашем случае расчетная формула имеет вид

U = Uo + U.(1 — l ""), — величина ЭДС измерительного преобразователя; — величина ЭДС преобразователя в момент времени (начало отсчета времени); — максимально возможное изменение величины ЭДС, достигаемое при изменении значения силы тока в цепи возбуждающего преобразователя; — время отсчета показаний приборов, измеряющих величину ЭДС; — период релаксации.

Определив значение Up = 0,237 В и U

= 0,301 В строят зависимость 1и (0,538— — U)=ln 0301 — т/т (фиг. 2, кривая 2), по углу наклона которой к оси времени определяют т" = 2,44 10 с.

Таким образом, предлагаемый способ исследования упругопластических свойств систем значительно упрощает процесс измерений, сводя его к измерению параметров колебаний зонда, помещенного в жидкость, увеличивает производительность труда исследователей, поскольку предлагаемый способ объединяет методы малых и больших деформаций, и позволяет, следовательно, в одном опыте получать необходимые данные для расчета всего комплекса показателей механических свойств дисперсных систем таких, как предельные значения сдвиговой деформации, модуль упругости, вязкостные характеристики, период релаксации и др.

Кроме того, предлагаемый способ расширяет диапазон исследований дисперсных систем, позволяет выявить связь механических свойств исследуемой системы с периодичностью воздействия на нее внешней силы путем изменения в широком диапазоне частоты колебаний зонда.

Способ исследования дисперсных систем, основанный на возбуждении колебаний упругоподвешенного зонда, демпфированного средой, и регистрации характеристик этих колебаний, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений колебаний, расширения их диапазона и снижения трудоемкости исследования, возбуждают гармоническую силу, модулированную по амплитуде во времени, а период гармонических колебаний выбирают меньше времени релаксации исследуемой среды.

1245950

1,2

0,8

- Ъ (0,538-u) 0,98

О,ЧЧ з,а

0,40

2,6

0,ЗЯ

0,28

0,29

Редактор О. Юрковецкая

Заказ 399! /35

Х 3 — л10 (/ т

В 20

OZ О,Ч О.Б ОЯ 1,0 1,2 Хх 1О, А

5 7 /2 / з Фу з.1

Составитель В. Крттин

Техред И. Верее Корректор М. немчик

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, УК вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4