Химия и физика пленкообразующих веществ (стр. 3 из 3)

Вязкость жидкостей (внутреннее трение) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Вискозиметры (от латинского «viscous» - вязкость) – приборы для измерения вязкости – в настоящее время широко применяются в различных областях науки, техники и промышленности.

По принципу работы существующие модели вискозиметров делят на четыре основные группы: капиллярные, ротационные, с падающим шариком, вибрационные.

Вискозиметры – достаточно дорогостоящие приборы. Большинство существующих моделей вискозиметров для измерений требуют сравнительно большие объемы жидкостей (100 и более мл), что не всегда возможно, например, при исследовании дорогих или токсичных жидкостей, а также при реологическом анализе крови. Кроме того, промышленно выпускаемые модели имеют не очень широкий диапазон измерений; внешние условия могут влиять на результаты эксперимента, а переградуировка приборов трудоемка.

Метод капиллярной вискозиметрии.

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью

через капилляр вискозиметра:

Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м³/с,

R – радиус капилляра вискозиметра, м

L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м

– вязкость жидкости, Па·с,

p – разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе «жидкость – стенка капилляра вискозиметра».

Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже [рис.5] размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.

В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости неопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:

Рис. 5. Схематическое изображение капиллярного вискозиметра

где h – коэффициент, стремящийся к единице, d – плотность исследуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':

n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

Ротационный метод.

Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра [рис. 6]: вращаться будет внешнее тело, внутреннее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Рис. 6. Схематическое изображение

ротационного вискозиметра.

Введём необходимые обозначения:

R₁,L		радиус и длина ротора ротационного вискозиметра
ω		постоянная угловая скорость вращения внешнего тела
R₂		радиус вращающегося резервуара ротационного вискозиметра
η		вязкость исследуемой cреды
M₁		момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный
d, l		диаметр и длина упругой нити
φ		угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,
G		момент упругости материала нити

При этом крутящий момент M₁ ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М₂:

Заметим вновь, что М₁ = М₂, откуда после нескольких преобразований относительно η имеем:

или

где k – постоянная ротационного вискозиметра.

Литература:
1.	Боуэн Т., Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М., 1973. (первоисточник – Schachman Н. К., Ultra centrifugation in biochemistry, - L., 1959).
2.	Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии, М., 1972.
3.	Геллер Б. Э., Геллер А. А., Чиртулов В. Г. Практическое руководство по физикохимии волокнообразующих полимеров. Учебное пособие для вузов, 2-ое изд., исправл. доп., М.: «Химия», 1996, 432 с.: ил.
4.	Лотц Ю. А., Ожерельев А, Я., Аналитическая ультрацентрифуга, «Уникальные приборы», 1970, № 5. (Svedderg Т., Pedersen K. O., The Ultracentrifuge, Oxf., 1940).
5.	Химия и технология пленкообразующих веществ: Учебное пособие для студентов вузов / Н. Р. Прокопчук, Э. Т. Крутько. – Мн.: БГТУ, 2004. – 423 с.: ил.
6.	Химия и технология лакокрасочных материалов и покрытий: Учебное пособие для студентов вузов / Э. Т. Крутько, Н. Р. Прокопчук. – Мн.: БГТУ, 2004. – 314 с.

Интернет – источники:

1.	http:// www.bse.sci-lib.com	—	Химия в Большой Научной Библиотеке. Большая Советская Энциклопедия. Ультрацентрифугирование.
2.	http://www.measurement.ru	—	машины и приборы для испытания полимерных материалов. Блескомер фотоэлектрический типа ФБ-2.
3.	http:// www.mechanician.ru	—	лакокрасочные материалы. Оптические свойства.
4.	http://www.slav-med.ru	—	оборудование. Фотоколориметры.
5.	http://www.ximuk.ru	—	Сайт о химии. Ультрацентрифугирование.