Способ исследования гетерогенности поликомпонентных жидкостей

 

Сущность изобретения: жидкость получают в процессе центрифугирования при температуре образцов-компонентов, превышающей эвтектическую, и измеряют толщину прослойки жидкости, образовавшейся в зоне контакта.

Изобретение относится к физико-химическому анализу вещества и предназначено для исследования строения жидких и жидко-твердых растворов и смесей.

Известен способ исследования гетерогенности поликомпонентных жидкостей путем седиментации в гравитационном поле (отстаивание). Исследуемую жидкость помещают в высокий сосуд или вертикально расположенный капилляр и выдерживают в течение длительного времени без вибрации и других воздействий. Исследуя распределение компонентов по высоте делают вывод о том, является ли изучаемая поликомпонентная жидкость физическим раствором или суспензией, эмульсией, шламом и т.д.

Недостатком этого способа является большая продолжительность процесса разделения фракций.

Этот недостаток устранен в способе, где разделение составляющих жидкость элементов осуществляется с помощью центрифугирования [1], который из известных технических решений наиболее близок по технической сущности к заявляемому объекту и является одновременно базовым объектом. Способ заключается в том, что цилиндрический образец исследуемого вещества укрепляют на роторе центрифуги так, чтобы в процессе вращения ось цилиндрического образца располагалась вдоль радиуса вращения. Расплавленный образец подвергают центрифугированию. Затем образец кристаллизуют. Кристаллизацию производят либо в процессе вращения, либо путем быстрого охлаждения после остановки центрифуги. После этого химическим или иным методом исследуют распределение компонентов вдоль направления оси образца. Предполагается, что если образец в жидком состоянии имеет достаточно устойчивые структурные неоднородности, то более плотные компоненты будут накапливаться на дальнем от оси вращения конце образца, а менее плотные - наоборот. Если результаты анализа свидетельствуют о наличии градиента состава вдоль оси образца, то делают вывод о гетерогенности исходного расплава.

Основным недостатком указанного способа является искажение имеющегося в расплаве распределения компонентов при кристаллизации, которая предшествует анализу образцов. Кристаллизация сопровождается конвективными потоками, ликвацией и другими эффектами, вызывающими перераспределение компонентов. Менее существенным недостатком является необходимость проведения химического или иного анализа, всегда связанного с заметной погрешностью определения.

Целью изобретения является повышение надежности и точности результатов исследования.

Цель достигается тем, что исследуемую жидкость получают путем контактного плавления кристаллов-компонентов в процессе центрифугирования. О гетерогенности или гомогенности расплава судят по толщине образовавшейся жидкой прослойки при сравнении с прослойкой, полученной за то же время и в тех же условиях, но без центрифугирования.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Пусть необходимо исследовать расплав, получаемый смешиванием компонентов А и В (каждый из которых может быть либо одно-, либо многокомпонентным). Из компонентов А и В, находящихся в твердом состоянии, изготавливают цилиндрические образцы одинакового диаметра (обычно 1-3 мм) и длиной 1-2 см. Торцы, предназначенные для контактирования, на обоих цилиндрах должны быть плоскими, перпендикулярными оси цилиндров.

Образцы помещают в трубку так, чтобы торцы, предназначенные для контактирования, были направлены навстречу, но не касались друг друга. Образец, имеющий большую плотность, крепят в трубке неподвижно. Менее плотный образец может скользить с трением вдоль оси трубки.

Трубку с образцами укрепляют на роторе центрифуги так, чтобы при вращении трубка располагалась вдоль радиуса вращения, а более плотный образец находится дальше от оси вращения, чем менее плотный.

В зоне нахождения трубки с образцами создают температуру, более высокую, чем эвтектическая температура системы А-В, но более низкую, чем температура плавления наиболее легкоплавкого компонента, и обеспечивают постоянство этой температуры в процессе центрифугирования.

После запуска центрифуги менее плотный образец под действием центробежной силы скользит вдоль трубки до соприкосновения с более плотным жестко закрепленным образцом. В результате происходит контактное плавление, так как необходимая для этого температура обеспечена. Расположение образцов на роторе центрифуги аналогично вертикальному расположению в гравитационном поле, когда нижним является более плотный образец.

Так как образующаяся жидкость из зоны контакта не удаляется, то толщина жидкой прослойки монотонно растет со временем. На границах жидкость-кристалл со стороны жидкости устанавливается квазиравновесное состояние, а скорость роста жидкой прослойки лимитируется переносом вещества через жидкость.

Если kT >> |ρ₁ - ρ_o|Vaδ (k - постоянная Больцмана; Т - температура; ρ₁ и ρ_o - плотности "частицы" и окружающей "частицу" жидкости; V - объем "частицы"; а - центробежное ускорение; δ - ширина жидкой прослойки), то процесс роста жидкой прослойки не отличается от диффузионного и не зависит от центрифугирования. При других соотношениях указанных величин характер распределения "частиц" (кластеров, сиботаксисов, частиц эмульсий, нерастворимых включений и т.д.) в жидкой прослойке зависит от центробежного ускорения. Это сказывается на толщине жидкой прослойки, образовавшейся за определенное время. В частности, если А и В - чистые компоненты, то при гетерогенном строении жидкости и при достаточно большом центробежном ускорении будет наблюдаться уменьшение скорости роста жидкой прослойки по сравнению с ростом в гравитационном поле Земли, так как центробежная сила будет затруднять перемещение "частиц" обогащенных компонентом А в сторону В, и наоборот.

После того, как ширина прослойки достигнет нескольким мм (для этого необходимо время порядка часа), центрифугу останавливают, образец охлаждают для кристаллизации жидкой прослойки. Измеряют ширину прослойки, образовавшейся за время отжига при центрифугировании. На основании сравнения ширины прослойки, полученной при центрифугировании, с шириной прослойки, полученной в обычном гравитационном поле, делают вывод о наличии и степени гетерогенности исследованной жидкости.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет увеличить надежность получаемых при центрифугировании результатов исследования жидкостей на гетерогенность. Это достигается тем, что вместо анализа пространственного распределения компонентов, причина установления которого проблематична, производится измерение ширины образующейся при центрифугировании жидкой прослойки. Здесь измеряемая величина формируется именно в процессе центрифугирования и не зависит от дальнейшей обработки: кристаллизации, изготовления продольного шлифа и т.д. Измеряемая величина - ширина прослойки - чувствительная к гетерогенности жидкости, так как в случае наличия гетерогенности процесс переноса вещества существенно зависит от величины центробежных сил, а интенсивность переноса определяет ширину образующейся прослойки. Устранен и второй недостаток классического метода центрифугирования: измерение длин имеет большую точность по сравнению с химическими и другими методами анализа состава вдоль образца.

Формула изобретения

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННОСТИ ПОЛИКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ, включающий центрифугирование цилиндрического образца, располагаемого вдоль радиуса вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности результатов, исследуемую жидкость получают в процессе центрифугирования путем приведения в контакт кристаллов-компонентов образца при температуре выше эвтектической и измеряют толщину прослойки жидкости, образовавшейся в зоне контакта, по которой судят о гетерогенности.