Реологияның негізгі түсініктері және заңдары
1 Теориялық негіз
1.1 Реологияның негізгі түсініктері және заңдары. Тұтас орта
1.2 Аққыш материалдардың тұтқырлығы және оларды жіктеу
1.3 Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер
1.4 Вискозиметрия негіздері
2 Негізгі бөлім
2.1 Brookfield RVDV.II+ Pro ротациялық вискозиметрі. Жалпы сипаттамасы
2.2 Жалпы нұсқаулар Техникалық сипатттамалар:
2.4 Тұтқырлықты өлшеу. Реологиялық сипаттамаға әсер ететін факторлар. Өлшенетін реологиялық сипаттамалардың мәндеріне көптеген
2.5 Өлшеу нәтижелерін өңдеу
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиет
1.1 Реологияның негізгі түсініктері және заңдары. Тұтас орта
1.2 Аққыш материалдардың тұтқырлығы және оларды жіктеу
1.3 Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер
1.4 Вискозиметрия негіздері
2 Негізгі бөлім
2.1 Brookfield RVDV.II+ Pro ротациялық вискозиметрі. Жалпы сипаттамасы
2.2 Жалпы нұсқаулар Техникалық сипатттамалар:
2.4 Тұтқырлықты өлшеу. Реологиялық сипаттамаға әсер ететін факторлар. Өлшенетін реологиялық сипаттамалардың мәндеріне көптеген
2.5 Өлшеу нәтижелерін өңдеу
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиет
Реология – материалдардың деформациялық қасиеттері туралы ғылым. Ол механиканың, термодинамиканың және геометрияның әмбебап қағидалары негізінде кез келген материалдар үшін орындалатын және жалпылама деформациялаушы күштер әсерінен олардың өзгеру заңдарын орнататын тұтас орта механикасынан (ТОМ) кейбір негізгі түсініктерді алған. Материалдар реологиялық объектілер ретінде серпімділікпен, тұтқырлықпен, беріктікпен және басқа реологиялық тұрақтылармен сипатталады. Реологияның негізгі міндеттерінің бірі белгілі бір рецептура және технология бойынша дайындалған материал қандай зат: серпімді қатты зат, аққыш сұйықтық, эластикалық (каучук тәріздес) дене, пластикалық құрам немесе басқа нәрсе болып шығатынын және рецептура мен технология реологиялық күй мен тұрақтылар шамаларына қалай әсер ететінін орнату болып табылады. Бұл мәселені шешудің негізгі жолы – эмпирикалы, яғни материал салмақ түскенде қалай өзгеретінін тәжірибелік жолмен орнату. Реология заңдарын танудың осы жолы зерттелетін, бұл жағдайда реологиялық, объектілер мен құбылыстарды жіктеугеәкеледі. Әртүрлі материалдарды күнделікті пайдалану тәжірибесі оларды қатты, сұйық және газ тәріздес деп бөлуге мүмкіндік береді. Әрбір топ сыртқы күштердің әсерінен өзіне тән қасиеттерді көрсетеді, сондай ақ деформациялау режиміне (жылдамдығына) қарай басқа топтың қасиеттерін де көрсете алады. Мысалға, батыру жағдайына қарай сұйық заттың қасиеттерін (өз салмағының әлсіз ұза әсер етуші күшінен қалқып шығады) қатты дененің қасиеттерін (балғамен ұрғанда сынады) көрсетеді, сондай ақ шамасы бойынша қалыпты импульс күші қысқа уақытқа әсер еткенде серпімділік пайда бола алады. Барлық материалдар қандай да бір деңгейде битумға ұқсас, ал дисперсті жүйелер басқа да күрделірек реологиялық қасиеттерді анықтайды. Материалдардың құрылымдық-механикалық қасиеттерінің деформациялау режиміне және жүйе параметрлеріне тәуелділіктерін толық зерттеумен инженерлік реология айналысады. Инженерлік реологияның негізгі міндеті зерттеу объектісінің өзгеру заңдарын анықтау, реологиялық модельді таңдау және негізгі реологиялық тұрақтыларды анықтау.
1. Новый справочник химика и технолога. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия – СПб.: НПО «Профессионал», 2007. – 838 с.
2. Косой В.Д., Дунченко Н.И., Егоров А.В. Инженерная реология в производ-стве мороженого. – М.: ДеЛи принт, 2008.– 196 с.
3. Овчинников П.Ф., Круглицкий Н.Н., Михайлов Н.В. Реология тиксотропных систем. – Киев: «Наукова думка», 1972.– 120 с.
4. http://www.brookfieldengineering.com/support/documentation/
astms-article-reprints.asp#foods
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid
2. Косой В.Д., Дунченко Н.И., Егоров А.В. Инженерная реология в производ-стве мороженого. – М.: ДеЛи принт, 2008.– 196 с.
3. Овчинников П.Ф., Круглицкий Н.Н., Михайлов Н.В. Реология тиксотропных систем. – Киев: «Наукова думка», 1972.– 120 с.
4. http://www.brookfieldengineering.com/support/documentation/
astms-article-reprints.asp#foods
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid
Кіріспе
Реология - материалдардың деформациялық қасиеттері туралы ғылым. Ол механиканың, термодинамиканың және геометрияның әмбебап қағидалары негізінде кез келген материалдар үшін орындалатын және жалпылама деформациялаушы күштер әсерінен олардың өзгеру заңдарын орнататын тұтас орта механикасынан (ТОМ) кейбір негізгі түсініктерді алған. Материалдар реологиялық объектілер ретінде серпімділікпен, тұтқырлықпен, беріктікпен және басқа реологиялық тұрақтылармен сипатталады. Реологияның негізгі міндеттерінің бірі белгілі бір рецептура және технология бойынша дайындалған материал қандай зат: серпімді қатты зат, аққыш сұйықтық, эластикалық (каучук тәріздес) дене, пластикалық құрам немесе басқа нәрсе болып шығатынын және рецептура мен технология реологиялық күй мен тұрақтылар шамаларына қалай әсер ететінін орнату болып табылады. Бұл мәселені шешудің негізгі жолы - эмпирикалы, яғни материал салмақ түскенде қалай өзгеретінін тәжірибелік жолмен орнату. Реология заңдарын танудың осы жолы зерттелетін, бұл жағдайда реологиялық, объектілер мен құбылыстарды жіктеугеәкеледі. Әртүрлі материалдарды күнделікті пайдалану тәжірибесі оларды қатты, сұйық және газ тәріздес деп бөлуге мүмкіндік береді. Әрбір топ сыртқы күштердің әсерінен өзіне тән қасиеттерді көрсетеді, сондай-ақ деформациялау режиміне (жылдамдығына) қарай басқа топтың қасиеттерін де көрсете алады. Мысалға, батыру жағдайына қарай сұйық заттың қасиеттерін (өз салмағының әлсіз ұза әсер етуші күшінен қалқып шығады) қатты дененің қасиеттерін (балғамен ұрғанда сынады) көрсетеді, сондай-ақ шамасы бойынша қалыпты импульс күші қысқа уақытқа әсер еткенде серпімділік пайда бола алады. Барлық материалдар қандай да бір деңгейде битумға ұқсас, ал дисперсті жүйелер басқа да күрделірек реологиялық қасиеттерді анықтайды. Материалдардың құрылымдық-механикалық қасиеттерінің деформациялау режиміне және жүйе параметрлеріне тәуелділіктерін толық зерттеумен инженерлік реология айналысады. Инженерлік реологияның негізгі міндеті зерттеу объектісінің өзгеру заңдарын анықтау, реологиялық модельді таңдау және негізгі реологиялық тұрақтыларды анықтау.
1 Теориялық негіз
1.1 Реологияның негізгі түсініктері және заңдары. Тұтас орта механикасында сығылмайтын материалдарда ығысу деформауциясы негізгі деп есептеледі, ал қалғандары осы негізгі деформация түрінің әртүрлі комбинация болып келеді. Ығысудың сандық шамасын тікбұрышты параллелепипед түріндегі үлгінің деформациясы мысалында анықтауға болады (1-сурет).
Сурет - 1. Қозғалу деформациясының схемасы.
Айталық F деформациялаушы күші ауданы А жоғарғы шетіне жанама бойынша түскен. Ол барлық үлгіде ығысу кернеуін тудырады. Төменгі шеті қозғалмайтындай етіп бекітілген.
Материалдың деформациясы оның пішіні мен өлшеміне тәуелсіз шамамен өрнектелуі қажет. Осы ретте бұл - γ=ΔXY қатынасы, онда үлгі ішіндегі көлемнің кез келген элементі үшін (γ=dxdy) шамасы болады.
Сәйкесінше, жоғарғы шетке түсірілген τ=FA кернеуі xz жазықтығына параллель үлгі шетіне әсер ететін оның ішішндегі көлемнің кез келген элементіндегі кернеумен бірдей болады.
Бұл жағдайдай γ'=dγdt деформация жылдамдығы - ығысу жылдамдығы. t және z координата - тәуелсіз айнымалылар болғандықтан, осы айнымалылар бойынша дифференциалдау ретін өзгертіп, келесі арақатынастарды алуға болады:
γ'=d(dxdt)dy=dudy,
яғни жай ығысуда деформация u=dxdt ағыс жылдамдығының dudy градиентіне тең.
Реологиялық заңдар материалды сипаттайтын тұрақтылар арқылы τ, γ, γ' арасындағы байланысты орнатуы қажет.
Серпімділік
γ деформацияның τ кернеуіне пропорционалдық тән серпімді материалда:
τ = G γ
теңдеуі орындалады.
γ және τ шамаларының мұндай байланысы Гук заңы деп аталады. G шамасы - ығысу серпімділігінің модулі - идеал серпімді материалдың реологиялық қасиеттерін толығымен сипаттайды. Гук заңын серпімділік түсінігінің анықтамасы және осы қасиеттің G сандық шамасының анықтамасы ретінде қарастыру қажет.
Тұтқырлық
Таза тұтқыр материалда (сұйықтықта) кернеу деформация жылдамдығына порпорционал (әдетте, бұл заң Ньютон заңы деп аталады):
F τ = ηγ'.
Ығысу кезінде сұйықтықтың реологиялық қасиеттері оның η тұтқырлығымен (ағыстың ламинарлық режимінде) толық сипатталады. Формалды түрде оны қабаттың аудан бірлігіне келетін және ығысу жылдамдығына келтірілген, сұйықтық қабаттарының салыстырмалы ығысуына кедергі күші ретінде анықтауға болады.
Материалдардың реологиялық қасиеттерін сипаттау үшін олардың механикалық эквиваленттері жиі пайдаланылады. Серпімді қасиеттері бар материалдың эквиваленті болып серіппе табылады (Гуктың серпімді денесі), ал тұтқыр кедергілі материал - сұйықтыққа орналастырылған поршень (Ньютонның тұтқыр сұйықтығы) (сурет- 2)
Сурет- 2. Тұтқыр (Fd) және серпімді (Fr) кедергінің механикалық эквивалент күші.
Техникада серпімділік және тұтқыр үйкеліс күштерінен бөлек, сыртқы (құрғақ) үйкеліс күштері де маңызды рөл ойнайды. Бұл күштердің ерекшелігі кернеу τs құрғақ үйкеліс шамасынан төмен болғанда деформация (ығысу) болмайды, ал кернеу құрғақ үйкеліс күшінен шексіз аз шамаға асқанда ығысу және ығысу жылдамдығы өте үлкен болады, яғни:
ττsболғанда γ=0, γ'=0
τ = τsболғанда γ!=0, γ'!=0
арақатынастары орындалады.
Басқаша айтқанда, құрғақ үйкеліс күші деформация (сырғанау) шамасына және жылдамдығына тәуелді емес немесе құрғақ үйкеліс элементіне (3-сурет) τs шамасынан үлкен күшті салуға болмайды.
3-сурет. Құрғақ үйкеліс элементінің механикалық эквиваленті (Сен-Венан денесі)
Кернеу үйкеліс күшінен артқан кезде сырғанау басталады, оның жылдамдығы бұл заңмен шектелмейді және элемент деформацияға қосышм кедергі келтіре алмайды. Қасиеттері заңмен (3 а, б) сипатталатын материалдарды құрғақ ұнтақ деп санауғ болады.
Жоғарыда келтірілген заңдар реологияның іргелі эмпирикалық заңдарының тізімін және табиғаты әртүрлі денелер деформацияланғанда пайда болатын, оларға сәйкес келетін күштердің типтерін қамтиды. Бұл олардың көмегімен кез келген материалдың өзгеруін толық қажеттілікпен сипаттауға болады дегенді білдірмейді. Нақты материалдар қиынырақ өзгереді, ал (1)-(3) заңдар кейбір идеал (реологиялық жай) материалдарға қатысты.
1.2 Аққыш материалдардың тұтқырлығы және оларды жіктеу
Технология үшін кез келген материалды сұйықтық ретінде қарастырған жөн. Ағыс - бұл уақыт бойынша қайтымсыз деформацияның арту процесі. Реологияның іргелі заңдарының ішінен тек Ньютон заңы (2) ағыс процесін сипаттайды. Осыған байланысты материалдың реологиялық сипаттамасы ретінде тұтқырлық түсінігін және үйкеліс күші түсінігін толығырақ қарастыру қажет.
Егер (2) формуланың сол жағын (dxdtdz)-ке, ал оң жағын оған тең γ' шамасына көбейтсек, онда келесідей арақатынас аламыз: τdxdtdz=ηγ2. τdxшамасы қалыңдығы dz және негізінің ауданы бірлікке тең материал қабаты деформацияланғанда dt уақыт ішінде жүрілетін dxжолда τкүшінің жұмысы болып табылады (1-сурет). Демек, формуланың сол жағы - бұл уақыт бірлігі ішінде деформацияланатын материал көлемінің бірлігіндегі үйкеліс күшін басуға кететін q' энергия жоғалтулары:
q'=η(γ')2.
Бұл формула Ньютон заңының жазбасының энергетикалық формасы боылп келеді. Энергияның диссипациясы, яғни оның жылуға айналуы, материал деформацияланғанда тұтқыр үйкеліс күшінің пайда болу себебі болып табылады. Диссипацияның деформация жылдамдығына тәуелділігі деформацияланатын ортаның диссипативті функциясы деп аталады. Үйкеліс күші диссипативті функция арқылы ығысу жылдамдығына бөлінген энергия жоғалтуының меншікті (көлем бірлігіне) шамасы ретінде анықталады:
τ = q'γ'.
Әсіресе, егер q'=η(γ')2болса, ондаτ=ηγ'. Жалпы жағдайда q'=f(γ') диссипативті функцияның түрі белгісіз және эмпирикалық емес жолмен, мысалы, қайтымсыз процестердің термодинамика тәсілдерімен немесе деформация процесінің молекулалық-кинетикалық бейнесінен, орнатылуы қажет.Осындай жолмен табылған q'=f(γ') функциясы бойынша (4) формуласы көмегімен зерттелетін материалдың реологиялық заңын долбарлап орнатуға болады.
Тұтқырлық түсінігі сәйкесінше Фик, Фурие және Ом теңдеулерінде диффузия, жылу өткізгіштік және электр өткізгіштік коэффициенттеріне ұқсас жылжудың негізгі құбылыстарының бірінде ((2) ішкі үйкеліс заңы бойынша) материалдардың өзінің қабілеті бойынша қатысуын сандық сипаттайды.
Тұтқырлықтың ығысу кернеуіне тәуелді немесе тәуелсіз болу белгісі бойынша барлық аққыш материалдарды ньютондық және ньютондық емес сұйықтықтарға бөлу қабылданған. Ньютондық сұйықтықтарға тұтқырлығы ығысу кернеуіне тәулді емес материалдар жатады, яғни (2) ішкі үйкеліс заңында тұрақты коэффициент болып табылады. Ньютондық емес сұйықтықтарға тұтқырлығы ығысу кернеуіне тәуелді материалдар жатады, яғни (2) заңда деформация (немесе кернеу) функция болып табылады.
Аққыш материалдарды ньютондық және ньютондық емес деп бөлу қандай да бір γ' жылдамдықпен тек үздіксіз деформацияның орнатылған процесінде олардың сипатын көрсетеді. Тұтқырлықтың ығысу жылдамдығына тәуелділігін (немесе ығысу кернеуіне) қарастырғанда жүйенің күйі мен қасиеттері уақыт бойынша өзгермейді деп алынады.
Ньютондық сұйықтықтар
Реологиялық қисықтар деп аталатын - γ'-тің τ-ға немесе η-дің τ-ға тәуелділігінің графиктері орнатылған (стационарлық) деформация режимінде материалдың сипатын көрсетеді.
Тұтқырлығы үлкен (η1) немесе кіші (η2) ньютондық материалдар үшін бұл графиктер (γ', τ) координаталар басынан шығатын түзулер немесе (η, τ) координаталарында абсцисса осьтеріне параллель түзулер болып келеді. Графикалық түрде (γ', τ) координаталарында тұтқырлық γ'осіне графиктің көлбеу бұрышының тангенсі болып келеді.
4-сурет. Тұтқырлығы төмен (1) және жоғары (2) сұйықтықтың ығысу жылдамдығының (а) және тұтқырлығының (б) реологиялық қисықтары
Ньютондық сұйықтықтың механикалық эквиваленті 2-суретте (Fd) келтірілген.
Ньютондық сұйықтықтарға су, плазма, қан, майлар (ығысудың төмен жылдамдықтарында), кремний, органикалық сұйықтықтар, глицерин және т.б. жатады.
Ньютондық емес сұйықтықтар
γ'-тің τ-ға және q'=f(γ') әртүрлі тәуелділіктері бар, ньютондық емес сұйықтықтардың қасиеттері күшті көрінетін материалдармен зерттеушілерге жиі жұмыс жасауға тура келеді. Мұндай материалдардың реологиялық қасиеттерінің сипаттамасы үшін, бірінші кезекте, осы материал жататын реологиялық объектілердің класын анықтау қажет. Бұдан бөлек, нақты зерттеу объектілері тұтқырлықтың механикалық әсер ету режиміне тәуелділігімен сипатталады. Мысалға, кейбір материалдар ығысу деформациясы кезінде уақыт өте келе өзінің реологиялық қасиеттерін өзгерте алады, басқалары үшін - реологиялық өзгеру деформация жылдамдығымен немесе кернеуімен шартталады. Сонымен қатар ньютондық сұйықтықтар үшін де оларға реологиялық қасиеттерінің температураға тәуелділігі тән. Объектілердің реологиялық қасиеттерін салыстыру үшін үлгіні өлшеудің бірдей параметрлерін, сақтау және дайындау жағдайларын ұстау қажет. Дисперсті жүйелердің реологиялық қасиеттеріне біріктіру дәрежесі, агрегаттағы байланыстар беріктігі және бөлшектердің пішіні әсер етеді. Сонымен, реологиялық мәліметтер жиірек терезе болып табылады, яғни олар арқылы материалдың басқа параметрлерін бақылауға болады. Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер (қайтымсыз деформация тән емес денелер) нақты зерттеу объектілерінің ең көп санды тобы болып табылады, сондықтан оларды толығырақ қарау қажет.
1.3 Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер
Жоғарыда айтылғандай, ньютондық емес қасиеттері күшті көрінетін материалдар γ'-тің τ-ға әртүрлі тәуелділіктеріне ие болады. Көптеген белгілі материалдардың реологиялық қисықтары 5-суретте көрсетілген. Мұнда τsматериал сұйықтық сияқты ағып бастауы үшін үлгіге түсіру қажет ығысу кернеуін білдіреді. Материалдың мұндай сипаты толығырақ сипатталатын болады.
5-суреттен көрініп тұрғандай, қисықтар бір заңдылықпен сипаттала алмайды, сондықтан реологияның қазіргі кезеңінде барлық ньютондық емес сұйықтықтар үшін жалпы реологиялық заң орнату мүмкін болмай тұр. Жалпы жағдайда объектінің реологиялық сипаты материал құрылымына (осы құрылымның элементтері арасындағы өзара әрекеттесу саны мен күшіне), сондай-ақ сыртқы факторлардың (температура, механикалық ығысу және т.б.) әсерінен оның өзгеру мүмкіндігіне және уақыт бойынша бастапқы күйдің қайта қалпына келу қабілетіне тәуелді болады.Механикалық жағынан, ньютондық емес сипаты бір-біріне қатысты өлшемдері мен пішіндері әртүрлі молекулалардың қозғалысы деп ойлауға болады. Олардың өзара әрекеттесуі қабаттардың ығысуы үшін қандай күш түсіру керек екендігін анықтайтын болады.
5-сурет. Ығысу кернеуі - ығысу жылдамдығы координаталарындағы әртүрлі реологиялық қисықтар: 1 - ньютондық сұйықтық; 2 - жалған пластикалық сұйықтық; 3 - дилантты сұйықтық; 4 - Бингам денесі; 5 - пластикалық дилантты дене; 6 - жалған пластикалық дене.
Нақты объектілердің реологиялық қасиеттерін зерттеудің жинақталған тәжірибесі, сондай-ақ олардың механикалық (идеалданған) эквиваленттерін теориялық зерттеу нәтижелері тиісті реологиялық заңдармен сипатталатын материалдардың келесідей кластарын бөліп көрсетуге мүмкіндік береді (1-кесте).
1-кесте. Ньютондық емес және тұтқыр-серпімді материалдарды жіктеу
Материалдардың реологиялық класы
Кіші класс
Сипаттамасы
Мысалдар
Тұтқыр-серпімді
Максвелл денесі
Серпімді және тұтқыр элементтің бірізді сызықтық қосылысы
Жай реологиялық денелердің механикалық эквиваленттерін біріктіріп алынатын механикалық модельдер
Кельвин (Фойгт) денесі
Серпімді және тұтқыр элементтің параллель сызықтық қосылысы
Тұтқыр-пластикалық
Бингам денесі
Тұтқыр элементтің және құрғақ үйкеліс элементінің параллель қосылысы
Материал тұтқырлығы механикалық әсер ету ұзақтығымен өзгермейді
Бингам пластигі
Ағыс үшін минимал кернеу (ығысу кернеуі) қажет
Тіс пастасы, маргарин, майонез, саз суспензиясы, шоколад, томат кетчупы
Жалған пластикалық
Жуықтама тұтқырлық ығысу кернеуі өсуімен төмендейді
Судағы қағазда массасы, балмұздақ, қан, сироп, шашты түзетугне арналған лак, сырлар
Дилантты
Жуықтама тұтқырлық ығысу кернеуі өсуімен артады
Крахмал суспензиясы немесе судағы құм
Материал тұтқырлығы механикалық әсер ету ұзақтығымен өзгереді
Реопексті
Жуықтама тұтқырлық ығысу ұзақтығымен артады
Көбікті кілегейлер
Тиксотропты
Жуықтама тұтқырлық ығысу ұзақтығымен төмендейді
Кейбір саздар, көптеген сырлар, бояу
Материалдардың әрбір тобы және олардың реологиялық сипатын сипаттайтын заңдылықтар ары қарай қарастырылатын болады.
1.4 Вискозиметрия негіздері
Реологиялық тәжірибе сұйық жүйелердің реологиялық қасиеттері, құрылымы, дисперсті жүйелердің бөлшектерінің өзара әрекеттесуі және олардың беттерінің күйі туралы мағлұматтардың маңызды көзі болып табылады.
Реологиялық өлшеулер жүргізілетін аспаптар вискозиметрлер деп аталады. Олардың конструкциялары және жұмыс принциптері әртүрлі болады бірақ барлық жағдайларда әлде зерттелетін материалдың γ' деформация жылдамдығы беріледі және оған сәйкес келетін материал кедергісінің τ меншікті күші (кернеу) өлшенеді, әлде τ деформациялаушы күш беріледі де, оған сәйкес келетін деформация жылдамдығы өлшенеді.
Басқа режим арасында ені белгілі бір h болатын жазық-параллель саңылау бар қозғалмалы және қозғалмайтын пластиналар жұбынан тұратын аспапта жүзеге асыруға болады. Зерттелетін препарат осы саңылауға орналастырылады және пластиналар арасындағы арақашықтықты h тұрақты ұстай отырып, бір пластинаны басқасына қатысты тангенциалды жылжыту арқылы деформацияланады (14-сурет). Зерттелетін препараттың деформация жылдамдығы γ'=Uh, мұндағы U - қозғалмалы пластинаны жылжыту жылдамдығы.
14-сурет. Ығысу деформациясына кедергіні өлшеу сызбасы
Зерттелетін материалдағы кернеу τ=FA, мұндағы F - қозғалмалы пластинаға түскен (немесе егер оның жылжу жылдамдығы U берілген болса, өлшенген) ығысу күші және A - оның ауданы. Мұндай аспаптың басты артықшылығы, ол зерттелетін материалда кернеулер мен деформациялардың біртектілігін қамтамасыз етеді және бұл жағдайда идеал болып табылады.
Аспаптың кемшілігі, оны конструктивті іске асыру мүмкін емес. Идеал аспапқа көп деңгейде ротациялық типті вискозиметрлер жақын болады. Оларда зерттелетін материал екі коаксиалды цилиндрлер арасындағы саңылауда орналасады (15-сурет). Олардың біреуі (ротор) айналады, ал басқасы (статор) қозғалмайды. Бұл ретте күш өлшеуші элемент ретінде ротор да, статор да бола алады. Осы элементке әсер ететін айналу моментіNжәне ротордың бұрыштық айналу жылдамдығы ω өлшенеді.
15-сурет. Ротациялық вискозиметрдің сызбасы: R - ішкі цилиндрдің радиусы; h - ішкі және сыртқы цилиндр арасындағы саңылау; Н - цилиндрді зерттелетін үлгіге батыру тереңдігі
Ротор мен статор арасындағы саңылу h ротор (немесе статор) радиусынан R айтарлықтай төмен болған жағдайда ығысу жылдамдығы (17) формула бойынша, ал кернеу (18) формула бойынша есептеледі:
γ'=ωRh,
τ=N2PIR2H
мұндағы Н - аспаптың күш өлшеуші элементін зерттелетін ерітіндіге батыру тереңдігі.
Ішкі цилиндрі айналатын аспап (ішкі роторы бар вискозиметр) конструкциялық қарапайымдау. Ол, әдетте, айналу моментінің шамасының датчигі рөлін атқарады. Оның шамасы ротордың айналма қозғалысы берліетін серпімді элементтің (спиралды серіппенің немесе торсионның) деформациясы (бұрылу бұрышы) бойынша өлшенеді. Бұл аспаптардың екі кемшілігі бар. Біріншісі, ортадан тепкіш күш әсерінен материалдың қозғалысы радиалды бағытта туады, сонымен қатар оның ұяшықтық құрылымы болады (қозғлыс аймағы ротордан статорға және кері бағытта кезектесіп кледі). Бұл ығысу деформациясының біртектілігін бұзады және өлшеу нәтижелерін бұрмалайды. Сыртқы цилиндрі (сыртқы роторы) айналатын аспаптарда бұл кемшілік жоқ. Бұл ретте ішкі цилиндрі қозғалмайтындықтан, оған әсер ететін айналу моментінің шамасын өлшеу де жеңілдейді, бірақ зерттелетін препарат бар айналма стаканды (сыртқы цилиндрді) термостаттауды ұйымдастыру күрделірек.
Екінші кемшілік ротордың немесе статордың рөлін атқаратын массивті ішкі цилиндрі бар барлық ротациялық вискозиметрлерге тән. Ол зерттелетін материал аспаптың түпкі бөлігін де - ыдыс түбі (сыртқы цилиндр) мен ішкі цилиндрдің төменгі ұшы арасындағы аралықты толтырады. Материалдың бұл бөлігі деформацияға кедергінің жалпы күшіне, сонымен қатар бірқатар жағдайларда белгісіз күшке өз үлесін қосады, өйткені деформация жылдамдығы мұнда тұрақсыз. Әртүрлі конструкциялы және фирмалардың ротациялық аспаптары осы мәселені шешу тәсілімен ерекшеленеді.
Әсіресе, бұл мәселе ротордың төменгі ұшының ауданы, демек оның үйкеліс күшіне үлесі нөлге жақын жұқа қабырғалы ротор бар аспаптарда кездеспейді деуге де болады. Мұндай конструкциялы аспап массивті ішкі роторлы аспап сияқты төмен және қалыпты ротордың айналу жылдамдығында зерттеуге жарамды, өйткені жоғары жылдамдықтарда саңылаулардың біреуінде (сыртқыда, егер ротор жұқа қабырғалы цилиндр болса және кері жағдайда ішкіде) ортадан тепкіш күштер әсерінен суспензияның ұяшықты радиалды ағыс туады.
Ішкі массивті цилиндрдің төменгі ұшына конусты пішін беруге болады. Сонда стаканның ұшы мен түбі арасындағы саңылау және сызықтық айналу жылдамдығы айналу осінен қашықтық өскен сайын артады. Сондықтан ығысу жылдамдығы айналу осінен қашықтыққа тәуелді емес.Конус жасаушысының көлбеу бұрышының мәнін ығысу жылдамдығы вискозиметрдің коаксиалды жұмысшы саңылауында және оның түп маңы бөлігінде бірдей болатындай етіп таңдалады.
Конус-пластина типті аспаптар да қолданылады, онда ішкі цилиндрдің орнына төменгі жағынан конус пішінді жұқа шайба қалады.
Бірқатар жағдайларда ығысудың шектік кернеуінің шамасын τs өлшеумен ғана шектелуге болады. Ол үшін Ребиндер-Вейлер жай аспаптары бар.
Ребиндер-Вейлер аспабы еркін пішіндегі және өлшемді ыдыстан тұрады, оған зерттелетін суспензия және серіппеге бекітілген кедір-бұдырлы пластинка орналастырылған. Пластинаны суспензиядан баяу шығарғанда (немесе үстелшені ыдыспен түсіргенде) серіппенің ұзаруы бойынша пластинаға әсер ететін күш шамасы есептеледі және сосын зерттелетін препараттың ығысуға беріктігі анықталады.
Бұл жағдайда деформацияның супензияда таралу бейнесі күрделі, сондықтан ығысу жылдамдығының сандық мәні белгісіз болып қалады.
2 Негізгі бөлім
2.1 Brookfield RVDV-II+ Pro ротациялық вискозиметрі. Жалпы сипаттамасы
Brookfield вискозметрлері - бұл жұмыс принципі тұрақты жылдамдықта тестіленетін сұйықтықта шпиндель (цилиндр және басқалары) айналғанда калибрленген серіппе бұралуын өлшеуге негізделген ротациялық вискозиметрлер. Шпиндель (1) (16-сурет) калибрленген серіппе (5) арқылы корпусқа (4) салынған мотор (3) көмегімен контейнерде (2) орналасқан сұйықтықта айналады. Сұйықтық шпиндельге тұтқыр үйкелісі калибрленген серіппенің бұралуы бойынша анықталады және айналу бұрышының датчигімен өлшенеді. Серіппенің бұралуы дисплейде (6) көрінеді немесе басып шығарылады.
16-сурет. Brookfield ротациялық вискозиметрдің сызбасы
(Brookfield) компаниясының DV-II+ Pro вискозиметрі берілген ығысу жылдамдықтарында сұйықтық тұтқырлығын өлшеуге арналған.әртүрлі жылдамдықтар мен шпиндельдерді пайдалану мүмкіндігі арқасында тұтқырлығы әртүрлі аралықта өлшеуге болады. Сұйықтық тұтқырлығын өлшеу аралығы шпиндельдің айналу жылдамдығына, оның өлшемдері мен пішініне, сондай-ақ ішінде шпиндель айналатын сұйықтық орналасқан контейнер өлшемі мен пішініне және калибрленген серіппенің бұралу моментінің сызықтық аралығына тәуелді болады. RVDV-II+ Pro моделінде калибрленген серіппе үшін бұралу моменті 0,7187 мН·м (немесе 7187,0 Дин·см) құрайды.
DV-II+ Pro вискозиметрі әртүрлі бақылау режимдерін ұсынады, оған дәстүрлі автономды басқару, компьютерден аспапқа жүктелетін бағдарлама арқылы автоматты басқару немесе Brookfield Rheocalc32 бағдарламасын пайдаланып ДК арқылы толық басқару кіреді.
Дисплейге шығарылатын өлшеу мәліметтері:
1. Тұтқырлық миллипаскаль-секундтарда (мПа·с, индикация mPa·s) немесе сантипуаздарда (сПз, индикация сР) бейнеленеді.
2. Ығысу кернеуі шаршы метрдегі ньютондарда (Нм2, индикация Nm2) немесе шаршы сантиметрдегі диндерде (Динсм2, индикация Dsm2) бейнеленеді.
3. Ығысу жылдамдығы кері секундтарда (1с, индикация 1SEC) бейнеленеді.
4. Калибрленген серіппенің бұралу пайызы толық аралықтың пайыздарында (индикация %) бейнеленеді.
2.2 Жалпы нұсқаулар Техникалық сипатттамалар:
Автономды жұмыс кезінде алма-кезек және бірізді 18 жылдамдықты және таңдамалы түрде 54 жылдамдықты (оператордың таңдауы бойынша) пайдалануға болады.
Дербес компьютерден басқарғанда 0,01-200 айнмин аралығында (дискреттілігі 0,01 айнмин - 0,01-0,99 айнмин, дискреттілігі 0,1 айнмин - 1,0-200 айнмин) жылдамдық қол жетімді болады.
Температураны өлшеу аралығы: -100 ºС - 300 ºС.
Тұтқырлықты өлшеу дәлдігі: өлшеу аралығының жоғары шегінің +- 1,0 %.
Тұтқырлық өлшеуді шығаруы: +- 2,0 %.
Температураны өлшеу дәлдігі: 100 - 149 ºС аралығында +- 1,0 ºС; 150 - +300 ºС аралығында +- 2,0 ºС.
Пайдалану жағдайы: температура 0 - +40 °С, ауаның салыстырмалы ылғалдылығы 20 - 80 %, ылғал конденсациясысыз.
Орнату
1. Зертханалық штативті жинаңыз (модель S);
2. Вискозиметрді штативке орнатыңыз;
3. Температура датчигін вискозиметрдің артқы панеліндегі жалғағышқа қосыңыз;
4. Штатив табанындағы орнату бұрамаларының көмегімен, вискозиметрдің жоғарғы бөлігінде орналасқан көпіршікті деңгей бойынша вискозиметрді қойыңыз. Дұрыс орнатқан кезде ауа көпіршігі орнату сақинасында болуы қажет;
5. Вискозиметрдің артқы панеліндегі қоректі ажыратқыш OFF (сөндірулі) күйінде тұрғанына көз жеткізіңіз.Қоректендіру кабелін аспаптың артқы панеліндегі жалғағышқа қосып, кабель вилкасын желілік розеткаға тығыңыз. Электрмен қамту желісінің кернеуі мен жиілігі аспаптың атаулы тақташасында көрсетілген сипаттамаларға сәйкес келуі қажет. Аспапты жерге тұйықтау қажет;
6. Ажыратқышты ON (қосулы) күйіне қойыңыз және нөлді автоматты орнатпас бұрын 10 минут бойы аспапты қыздырыңыз;
7. Қажет болған жағдайда вискозиметрді тиісті кабельмен жүйелі порт арқылы дербес компьютерге қосыңыз.
Тазарту! Назар аударыңыз! Вискозиметрді тазартпас бұрын шпиндельді шешіңіз. Бұл ережені орындамау вискозиметрдің істен шығуына әкеледі. Шпиндельдің бұрандасы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Реология - материалдардың деформациялық қасиеттері туралы ғылым. Ол механиканың, термодинамиканың және геометрияның әмбебап қағидалары негізінде кез келген материалдар үшін орындалатын және жалпылама деформациялаушы күштер әсерінен олардың өзгеру заңдарын орнататын тұтас орта механикасынан (ТОМ) кейбір негізгі түсініктерді алған. Материалдар реологиялық объектілер ретінде серпімділікпен, тұтқырлықпен, беріктікпен және басқа реологиялық тұрақтылармен сипатталады. Реологияның негізгі міндеттерінің бірі белгілі бір рецептура және технология бойынша дайындалған материал қандай зат: серпімді қатты зат, аққыш сұйықтық, эластикалық (каучук тәріздес) дене, пластикалық құрам немесе басқа нәрсе болып шығатынын және рецептура мен технология реологиялық күй мен тұрақтылар шамаларына қалай әсер ететінін орнату болып табылады. Бұл мәселені шешудің негізгі жолы - эмпирикалы, яғни материал салмақ түскенде қалай өзгеретінін тәжірибелік жолмен орнату. Реология заңдарын танудың осы жолы зерттелетін, бұл жағдайда реологиялық, объектілер мен құбылыстарды жіктеугеәкеледі. Әртүрлі материалдарды күнделікті пайдалану тәжірибесі оларды қатты, сұйық және газ тәріздес деп бөлуге мүмкіндік береді. Әрбір топ сыртқы күштердің әсерінен өзіне тән қасиеттерді көрсетеді, сондай-ақ деформациялау режиміне (жылдамдығына) қарай басқа топтың қасиеттерін де көрсете алады. Мысалға, батыру жағдайына қарай сұйық заттың қасиеттерін (өз салмағының әлсіз ұза әсер етуші күшінен қалқып шығады) қатты дененің қасиеттерін (балғамен ұрғанда сынады) көрсетеді, сондай-ақ шамасы бойынша қалыпты импульс күші қысқа уақытқа әсер еткенде серпімділік пайда бола алады. Барлық материалдар қандай да бір деңгейде битумға ұқсас, ал дисперсті жүйелер басқа да күрделірек реологиялық қасиеттерді анықтайды. Материалдардың құрылымдық-механикалық қасиеттерінің деформациялау режиміне және жүйе параметрлеріне тәуелділіктерін толық зерттеумен инженерлік реология айналысады. Инженерлік реологияның негізгі міндеті зерттеу объектісінің өзгеру заңдарын анықтау, реологиялық модельді таңдау және негізгі реологиялық тұрақтыларды анықтау.
1 Теориялық негіз
1.1 Реологияның негізгі түсініктері және заңдары. Тұтас орта механикасында сығылмайтын материалдарда ығысу деформауциясы негізгі деп есептеледі, ал қалғандары осы негізгі деформация түрінің әртүрлі комбинация болып келеді. Ығысудың сандық шамасын тікбұрышты параллелепипед түріндегі үлгінің деформациясы мысалында анықтауға болады (1-сурет).
Сурет - 1. Қозғалу деформациясының схемасы.
Айталық F деформациялаушы күші ауданы А жоғарғы шетіне жанама бойынша түскен. Ол барлық үлгіде ығысу кернеуін тудырады. Төменгі шеті қозғалмайтындай етіп бекітілген.
Материалдың деформациясы оның пішіні мен өлшеміне тәуелсіз шамамен өрнектелуі қажет. Осы ретте бұл - γ=ΔXY қатынасы, онда үлгі ішіндегі көлемнің кез келген элементі үшін (γ=dxdy) шамасы болады.
Сәйкесінше, жоғарғы шетке түсірілген τ=FA кернеуі xz жазықтығына параллель үлгі шетіне әсер ететін оның ішішндегі көлемнің кез келген элементіндегі кернеумен бірдей болады.
Бұл жағдайдай γ'=dγdt деформация жылдамдығы - ығысу жылдамдығы. t және z координата - тәуелсіз айнымалылар болғандықтан, осы айнымалылар бойынша дифференциалдау ретін өзгертіп, келесі арақатынастарды алуға болады:
γ'=d(dxdt)dy=dudy,
яғни жай ығысуда деформация u=dxdt ағыс жылдамдығының dudy градиентіне тең.
Реологиялық заңдар материалды сипаттайтын тұрақтылар арқылы τ, γ, γ' арасындағы байланысты орнатуы қажет.
Серпімділік
γ деформацияның τ кернеуіне пропорционалдық тән серпімді материалда:
τ = G γ
теңдеуі орындалады.
γ және τ шамаларының мұндай байланысы Гук заңы деп аталады. G шамасы - ығысу серпімділігінің модулі - идеал серпімді материалдың реологиялық қасиеттерін толығымен сипаттайды. Гук заңын серпімділік түсінігінің анықтамасы және осы қасиеттің G сандық шамасының анықтамасы ретінде қарастыру қажет.
Тұтқырлық
Таза тұтқыр материалда (сұйықтықта) кернеу деформация жылдамдығына порпорционал (әдетте, бұл заң Ньютон заңы деп аталады):
F τ = ηγ'.
Ығысу кезінде сұйықтықтың реологиялық қасиеттері оның η тұтқырлығымен (ағыстың ламинарлық режимінде) толық сипатталады. Формалды түрде оны қабаттың аудан бірлігіне келетін және ығысу жылдамдығына келтірілген, сұйықтық қабаттарының салыстырмалы ығысуына кедергі күші ретінде анықтауға болады.
Материалдардың реологиялық қасиеттерін сипаттау үшін олардың механикалық эквиваленттері жиі пайдаланылады. Серпімді қасиеттері бар материалдың эквиваленті болып серіппе табылады (Гуктың серпімді денесі), ал тұтқыр кедергілі материал - сұйықтыққа орналастырылған поршень (Ньютонның тұтқыр сұйықтығы) (сурет- 2)
Сурет- 2. Тұтқыр (Fd) және серпімді (Fr) кедергінің механикалық эквивалент күші.
Техникада серпімділік және тұтқыр үйкеліс күштерінен бөлек, сыртқы (құрғақ) үйкеліс күштері де маңызды рөл ойнайды. Бұл күштердің ерекшелігі кернеу τs құрғақ үйкеліс шамасынан төмен болғанда деформация (ығысу) болмайды, ал кернеу құрғақ үйкеліс күшінен шексіз аз шамаға асқанда ығысу және ығысу жылдамдығы өте үлкен болады, яғни:
ττsболғанда γ=0, γ'=0
τ = τsболғанда γ!=0, γ'!=0
арақатынастары орындалады.
Басқаша айтқанда, құрғақ үйкеліс күші деформация (сырғанау) шамасына және жылдамдығына тәуелді емес немесе құрғақ үйкеліс элементіне (3-сурет) τs шамасынан үлкен күшті салуға болмайды.
3-сурет. Құрғақ үйкеліс элементінің механикалық эквиваленті (Сен-Венан денесі)
Кернеу үйкеліс күшінен артқан кезде сырғанау басталады, оның жылдамдығы бұл заңмен шектелмейді және элемент деформацияға қосышм кедергі келтіре алмайды. Қасиеттері заңмен (3 а, б) сипатталатын материалдарды құрғақ ұнтақ деп санауғ болады.
Жоғарыда келтірілген заңдар реологияның іргелі эмпирикалық заңдарының тізімін және табиғаты әртүрлі денелер деформацияланғанда пайда болатын, оларға сәйкес келетін күштердің типтерін қамтиды. Бұл олардың көмегімен кез келген материалдың өзгеруін толық қажеттілікпен сипаттауға болады дегенді білдірмейді. Нақты материалдар қиынырақ өзгереді, ал (1)-(3) заңдар кейбір идеал (реологиялық жай) материалдарға қатысты.
1.2 Аққыш материалдардың тұтқырлығы және оларды жіктеу
Технология үшін кез келген материалды сұйықтық ретінде қарастырған жөн. Ағыс - бұл уақыт бойынша қайтымсыз деформацияның арту процесі. Реологияның іргелі заңдарының ішінен тек Ньютон заңы (2) ағыс процесін сипаттайды. Осыған байланысты материалдың реологиялық сипаттамасы ретінде тұтқырлық түсінігін және үйкеліс күші түсінігін толығырақ қарастыру қажет.
Егер (2) формуланың сол жағын (dxdtdz)-ке, ал оң жағын оған тең γ' шамасына көбейтсек, онда келесідей арақатынас аламыз: τdxdtdz=ηγ2. τdxшамасы қалыңдығы dz және негізінің ауданы бірлікке тең материал қабаты деформацияланғанда dt уақыт ішінде жүрілетін dxжолда τкүшінің жұмысы болып табылады (1-сурет). Демек, формуланың сол жағы - бұл уақыт бірлігі ішінде деформацияланатын материал көлемінің бірлігіндегі үйкеліс күшін басуға кететін q' энергия жоғалтулары:
q'=η(γ')2.
Бұл формула Ньютон заңының жазбасының энергетикалық формасы боылп келеді. Энергияның диссипациясы, яғни оның жылуға айналуы, материал деформацияланғанда тұтқыр үйкеліс күшінің пайда болу себебі болып табылады. Диссипацияның деформация жылдамдығына тәуелділігі деформацияланатын ортаның диссипативті функциясы деп аталады. Үйкеліс күші диссипативті функция арқылы ығысу жылдамдығына бөлінген энергия жоғалтуының меншікті (көлем бірлігіне) шамасы ретінде анықталады:
τ = q'γ'.
Әсіресе, егер q'=η(γ')2болса, ондаτ=ηγ'. Жалпы жағдайда q'=f(γ') диссипативті функцияның түрі белгісіз және эмпирикалық емес жолмен, мысалы, қайтымсыз процестердің термодинамика тәсілдерімен немесе деформация процесінің молекулалық-кинетикалық бейнесінен, орнатылуы қажет.Осындай жолмен табылған q'=f(γ') функциясы бойынша (4) формуласы көмегімен зерттелетін материалдың реологиялық заңын долбарлап орнатуға болады.
Тұтқырлық түсінігі сәйкесінше Фик, Фурие және Ом теңдеулерінде диффузия, жылу өткізгіштік және электр өткізгіштік коэффициенттеріне ұқсас жылжудың негізгі құбылыстарының бірінде ((2) ішкі үйкеліс заңы бойынша) материалдардың өзінің қабілеті бойынша қатысуын сандық сипаттайды.
Тұтқырлықтың ығысу кернеуіне тәуелді немесе тәуелсіз болу белгісі бойынша барлық аққыш материалдарды ньютондық және ньютондық емес сұйықтықтарға бөлу қабылданған. Ньютондық сұйықтықтарға тұтқырлығы ығысу кернеуіне тәулді емес материалдар жатады, яғни (2) ішкі үйкеліс заңында тұрақты коэффициент болып табылады. Ньютондық емес сұйықтықтарға тұтқырлығы ығысу кернеуіне тәуелді материалдар жатады, яғни (2) заңда деформация (немесе кернеу) функция болып табылады.
Аққыш материалдарды ньютондық және ньютондық емес деп бөлу қандай да бір γ' жылдамдықпен тек үздіксіз деформацияның орнатылған процесінде олардың сипатын көрсетеді. Тұтқырлықтың ығысу жылдамдығына тәуелділігін (немесе ығысу кернеуіне) қарастырғанда жүйенің күйі мен қасиеттері уақыт бойынша өзгермейді деп алынады.
Ньютондық сұйықтықтар
Реологиялық қисықтар деп аталатын - γ'-тің τ-ға немесе η-дің τ-ға тәуелділігінің графиктері орнатылған (стационарлық) деформация режимінде материалдың сипатын көрсетеді.
Тұтқырлығы үлкен (η1) немесе кіші (η2) ньютондық материалдар үшін бұл графиктер (γ', τ) координаталар басынан шығатын түзулер немесе (η, τ) координаталарында абсцисса осьтеріне параллель түзулер болып келеді. Графикалық түрде (γ', τ) координаталарында тұтқырлық γ'осіне графиктің көлбеу бұрышының тангенсі болып келеді.
4-сурет. Тұтқырлығы төмен (1) және жоғары (2) сұйықтықтың ығысу жылдамдығының (а) және тұтқырлығының (б) реологиялық қисықтары
Ньютондық сұйықтықтың механикалық эквиваленті 2-суретте (Fd) келтірілген.
Ньютондық сұйықтықтарға су, плазма, қан, майлар (ығысудың төмен жылдамдықтарында), кремний, органикалық сұйықтықтар, глицерин және т.б. жатады.
Ньютондық емес сұйықтықтар
γ'-тің τ-ға және q'=f(γ') әртүрлі тәуелділіктері бар, ньютондық емес сұйықтықтардың қасиеттері күшті көрінетін материалдармен зерттеушілерге жиі жұмыс жасауға тура келеді. Мұндай материалдардың реологиялық қасиеттерінің сипаттамасы үшін, бірінші кезекте, осы материал жататын реологиялық объектілердің класын анықтау қажет. Бұдан бөлек, нақты зерттеу объектілері тұтқырлықтың механикалық әсер ету режиміне тәуелділігімен сипатталады. Мысалға, кейбір материалдар ығысу деформациясы кезінде уақыт өте келе өзінің реологиялық қасиеттерін өзгерте алады, басқалары үшін - реологиялық өзгеру деформация жылдамдығымен немесе кернеуімен шартталады. Сонымен қатар ньютондық сұйықтықтар үшін де оларға реологиялық қасиеттерінің температураға тәуелділігі тән. Объектілердің реологиялық қасиеттерін салыстыру үшін үлгіні өлшеудің бірдей параметрлерін, сақтау және дайындау жағдайларын ұстау қажет. Дисперсті жүйелердің реологиялық қасиеттеріне біріктіру дәрежесі, агрегаттағы байланыстар беріктігі және бөлшектердің пішіні әсер етеді. Сонымен, реологиялық мәліметтер жиірек терезе болып табылады, яғни олар арқылы материалдың басқа параметрлерін бақылауға болады. Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер (қайтымсыз деформация тән емес денелер) нақты зерттеу объектілерінің ең көп санды тобы болып табылады, сондықтан оларды толығырақ қарау қажет.
1.3 Ньютондық емес сұйықтықтар және реологиялық денелер
Жоғарыда айтылғандай, ньютондық емес қасиеттері күшті көрінетін материалдар γ'-тің τ-ға әртүрлі тәуелділіктеріне ие болады. Көптеген белгілі материалдардың реологиялық қисықтары 5-суретте көрсетілген. Мұнда τsматериал сұйықтық сияқты ағып бастауы үшін үлгіге түсіру қажет ығысу кернеуін білдіреді. Материалдың мұндай сипаты толығырақ сипатталатын болады.
5-суреттен көрініп тұрғандай, қисықтар бір заңдылықпен сипаттала алмайды, сондықтан реологияның қазіргі кезеңінде барлық ньютондық емес сұйықтықтар үшін жалпы реологиялық заң орнату мүмкін болмай тұр. Жалпы жағдайда объектінің реологиялық сипаты материал құрылымына (осы құрылымның элементтері арасындағы өзара әрекеттесу саны мен күшіне), сондай-ақ сыртқы факторлардың (температура, механикалық ығысу және т.б.) әсерінен оның өзгеру мүмкіндігіне және уақыт бойынша бастапқы күйдің қайта қалпына келу қабілетіне тәуелді болады.Механикалық жағынан, ньютондық емес сипаты бір-біріне қатысты өлшемдері мен пішіндері әртүрлі молекулалардың қозғалысы деп ойлауға болады. Олардың өзара әрекеттесуі қабаттардың ығысуы үшін қандай күш түсіру керек екендігін анықтайтын болады.
5-сурет. Ығысу кернеуі - ығысу жылдамдығы координаталарындағы әртүрлі реологиялық қисықтар: 1 - ньютондық сұйықтық; 2 - жалған пластикалық сұйықтық; 3 - дилантты сұйықтық; 4 - Бингам денесі; 5 - пластикалық дилантты дене; 6 - жалған пластикалық дене.
Нақты объектілердің реологиялық қасиеттерін зерттеудің жинақталған тәжірибесі, сондай-ақ олардың механикалық (идеалданған) эквиваленттерін теориялық зерттеу нәтижелері тиісті реологиялық заңдармен сипатталатын материалдардың келесідей кластарын бөліп көрсетуге мүмкіндік береді (1-кесте).
1-кесте. Ньютондық емес және тұтқыр-серпімді материалдарды жіктеу
Материалдардың реологиялық класы
Кіші класс
Сипаттамасы
Мысалдар
Тұтқыр-серпімді
Максвелл денесі
Серпімді және тұтқыр элементтің бірізді сызықтық қосылысы
Жай реологиялық денелердің механикалық эквиваленттерін біріктіріп алынатын механикалық модельдер
Кельвин (Фойгт) денесі
Серпімді және тұтқыр элементтің параллель сызықтық қосылысы
Тұтқыр-пластикалық
Бингам денесі
Тұтқыр элементтің және құрғақ үйкеліс элементінің параллель қосылысы
Материал тұтқырлығы механикалық әсер ету ұзақтығымен өзгермейді
Бингам пластигі
Ағыс үшін минимал кернеу (ығысу кернеуі) қажет
Тіс пастасы, маргарин, майонез, саз суспензиясы, шоколад, томат кетчупы
Жалған пластикалық
Жуықтама тұтқырлық ығысу кернеуі өсуімен төмендейді
Судағы қағазда массасы, балмұздақ, қан, сироп, шашты түзетугне арналған лак, сырлар
Дилантты
Жуықтама тұтқырлық ығысу кернеуі өсуімен артады
Крахмал суспензиясы немесе судағы құм
Материал тұтқырлығы механикалық әсер ету ұзақтығымен өзгереді
Реопексті
Жуықтама тұтқырлық ығысу ұзақтығымен артады
Көбікті кілегейлер
Тиксотропты
Жуықтама тұтқырлық ығысу ұзақтығымен төмендейді
Кейбір саздар, көптеген сырлар, бояу
Материалдардың әрбір тобы және олардың реологиялық сипатын сипаттайтын заңдылықтар ары қарай қарастырылатын болады.
1.4 Вискозиметрия негіздері
Реологиялық тәжірибе сұйық жүйелердің реологиялық қасиеттері, құрылымы, дисперсті жүйелердің бөлшектерінің өзара әрекеттесуі және олардың беттерінің күйі туралы мағлұматтардың маңызды көзі болып табылады.
Реологиялық өлшеулер жүргізілетін аспаптар вискозиметрлер деп аталады. Олардың конструкциялары және жұмыс принциптері әртүрлі болады бірақ барлық жағдайларда әлде зерттелетін материалдың γ' деформация жылдамдығы беріледі және оған сәйкес келетін материал кедергісінің τ меншікті күші (кернеу) өлшенеді, әлде τ деформациялаушы күш беріледі де, оған сәйкес келетін деформация жылдамдығы өлшенеді.
Басқа режим арасында ені белгілі бір h болатын жазық-параллель саңылау бар қозғалмалы және қозғалмайтын пластиналар жұбынан тұратын аспапта жүзеге асыруға болады. Зерттелетін препарат осы саңылауға орналастырылады және пластиналар арасындағы арақашықтықты h тұрақты ұстай отырып, бір пластинаны басқасына қатысты тангенциалды жылжыту арқылы деформацияланады (14-сурет). Зерттелетін препараттың деформация жылдамдығы γ'=Uh, мұндағы U - қозғалмалы пластинаны жылжыту жылдамдығы.
14-сурет. Ығысу деформациясына кедергіні өлшеу сызбасы
Зерттелетін материалдағы кернеу τ=FA, мұндағы F - қозғалмалы пластинаға түскен (немесе егер оның жылжу жылдамдығы U берілген болса, өлшенген) ығысу күші және A - оның ауданы. Мұндай аспаптың басты артықшылығы, ол зерттелетін материалда кернеулер мен деформациялардың біртектілігін қамтамасыз етеді және бұл жағдайда идеал болып табылады.
Аспаптың кемшілігі, оны конструктивті іске асыру мүмкін емес. Идеал аспапқа көп деңгейде ротациялық типті вискозиметрлер жақын болады. Оларда зерттелетін материал екі коаксиалды цилиндрлер арасындағы саңылауда орналасады (15-сурет). Олардың біреуі (ротор) айналады, ал басқасы (статор) қозғалмайды. Бұл ретте күш өлшеуші элемент ретінде ротор да, статор да бола алады. Осы элементке әсер ететін айналу моментіNжәне ротордың бұрыштық айналу жылдамдығы ω өлшенеді.
15-сурет. Ротациялық вискозиметрдің сызбасы: R - ішкі цилиндрдің радиусы; h - ішкі және сыртқы цилиндр арасындағы саңылау; Н - цилиндрді зерттелетін үлгіге батыру тереңдігі
Ротор мен статор арасындағы саңылу h ротор (немесе статор) радиусынан R айтарлықтай төмен болған жағдайда ығысу жылдамдығы (17) формула бойынша, ал кернеу (18) формула бойынша есептеледі:
γ'=ωRh,
τ=N2PIR2H
мұндағы Н - аспаптың күш өлшеуші элементін зерттелетін ерітіндіге батыру тереңдігі.
Ішкі цилиндрі айналатын аспап (ішкі роторы бар вискозиметр) конструкциялық қарапайымдау. Ол, әдетте, айналу моментінің шамасының датчигі рөлін атқарады. Оның шамасы ротордың айналма қозғалысы берліетін серпімді элементтің (спиралды серіппенің немесе торсионның) деформациясы (бұрылу бұрышы) бойынша өлшенеді. Бұл аспаптардың екі кемшілігі бар. Біріншісі, ортадан тепкіш күш әсерінен материалдың қозғалысы радиалды бағытта туады, сонымен қатар оның ұяшықтық құрылымы болады (қозғлыс аймағы ротордан статорға және кері бағытта кезектесіп кледі). Бұл ығысу деформациясының біртектілігін бұзады және өлшеу нәтижелерін бұрмалайды. Сыртқы цилиндрі (сыртқы роторы) айналатын аспаптарда бұл кемшілік жоқ. Бұл ретте ішкі цилиндрі қозғалмайтындықтан, оған әсер ететін айналу моментінің шамасын өлшеу де жеңілдейді, бірақ зерттелетін препарат бар айналма стаканды (сыртқы цилиндрді) термостаттауды ұйымдастыру күрделірек.
Екінші кемшілік ротордың немесе статордың рөлін атқаратын массивті ішкі цилиндрі бар барлық ротациялық вискозиметрлерге тән. Ол зерттелетін материал аспаптың түпкі бөлігін де - ыдыс түбі (сыртқы цилиндр) мен ішкі цилиндрдің төменгі ұшы арасындағы аралықты толтырады. Материалдың бұл бөлігі деформацияға кедергінің жалпы күшіне, сонымен қатар бірқатар жағдайларда белгісіз күшке өз үлесін қосады, өйткені деформация жылдамдығы мұнда тұрақсыз. Әртүрлі конструкциялы және фирмалардың ротациялық аспаптары осы мәселені шешу тәсілімен ерекшеленеді.
Әсіресе, бұл мәселе ротордың төменгі ұшының ауданы, демек оның үйкеліс күшіне үлесі нөлге жақын жұқа қабырғалы ротор бар аспаптарда кездеспейді деуге де болады. Мұндай конструкциялы аспап массивті ішкі роторлы аспап сияқты төмен және қалыпты ротордың айналу жылдамдығында зерттеуге жарамды, өйткені жоғары жылдамдықтарда саңылаулардың біреуінде (сыртқыда, егер ротор жұқа қабырғалы цилиндр болса және кері жағдайда ішкіде) ортадан тепкіш күштер әсерінен суспензияның ұяшықты радиалды ағыс туады.
Ішкі массивті цилиндрдің төменгі ұшына конусты пішін беруге болады. Сонда стаканның ұшы мен түбі арасындағы саңылау және сызықтық айналу жылдамдығы айналу осінен қашықтық өскен сайын артады. Сондықтан ығысу жылдамдығы айналу осінен қашықтыққа тәуелді емес.Конус жасаушысының көлбеу бұрышының мәнін ығысу жылдамдығы вискозиметрдің коаксиалды жұмысшы саңылауында және оның түп маңы бөлігінде бірдей болатындай етіп таңдалады.
Конус-пластина типті аспаптар да қолданылады, онда ішкі цилиндрдің орнына төменгі жағынан конус пішінді жұқа шайба қалады.
Бірқатар жағдайларда ығысудың шектік кернеуінің шамасын τs өлшеумен ғана шектелуге болады. Ол үшін Ребиндер-Вейлер жай аспаптары бар.
Ребиндер-Вейлер аспабы еркін пішіндегі және өлшемді ыдыстан тұрады, оған зерттелетін суспензия және серіппеге бекітілген кедір-бұдырлы пластинка орналастырылған. Пластинаны суспензиядан баяу шығарғанда (немесе үстелшені ыдыспен түсіргенде) серіппенің ұзаруы бойынша пластинаға әсер ететін күш шамасы есептеледі және сосын зерттелетін препараттың ығысуға беріктігі анықталады.
Бұл жағдайда деформацияның супензияда таралу бейнесі күрделі, сондықтан ығысу жылдамдығының сандық мәні белгісіз болып қалады.
2 Негізгі бөлім
2.1 Brookfield RVDV-II+ Pro ротациялық вискозиметрі. Жалпы сипаттамасы
Brookfield вискозметрлері - бұл жұмыс принципі тұрақты жылдамдықта тестіленетін сұйықтықта шпиндель (цилиндр және басқалары) айналғанда калибрленген серіппе бұралуын өлшеуге негізделген ротациялық вискозиметрлер. Шпиндель (1) (16-сурет) калибрленген серіппе (5) арқылы корпусқа (4) салынған мотор (3) көмегімен контейнерде (2) орналасқан сұйықтықта айналады. Сұйықтық шпиндельге тұтқыр үйкелісі калибрленген серіппенің бұралуы бойынша анықталады және айналу бұрышының датчигімен өлшенеді. Серіппенің бұралуы дисплейде (6) көрінеді немесе басып шығарылады.
16-сурет. Brookfield ротациялық вискозиметрдің сызбасы
(Brookfield) компаниясының DV-II+ Pro вискозиметрі берілген ығысу жылдамдықтарында сұйықтық тұтқырлығын өлшеуге арналған.әртүрлі жылдамдықтар мен шпиндельдерді пайдалану мүмкіндігі арқасында тұтқырлығы әртүрлі аралықта өлшеуге болады. Сұйықтық тұтқырлығын өлшеу аралығы шпиндельдің айналу жылдамдығына, оның өлшемдері мен пішініне, сондай-ақ ішінде шпиндель айналатын сұйықтық орналасқан контейнер өлшемі мен пішініне және калибрленген серіппенің бұралу моментінің сызықтық аралығына тәуелді болады. RVDV-II+ Pro моделінде калибрленген серіппе үшін бұралу моменті 0,7187 мН·м (немесе 7187,0 Дин·см) құрайды.
DV-II+ Pro вискозиметрі әртүрлі бақылау режимдерін ұсынады, оған дәстүрлі автономды басқару, компьютерден аспапқа жүктелетін бағдарлама арқылы автоматты басқару немесе Brookfield Rheocalc32 бағдарламасын пайдаланып ДК арқылы толық басқару кіреді.
Дисплейге шығарылатын өлшеу мәліметтері:
1. Тұтқырлық миллипаскаль-секундтарда (мПа·с, индикация mPa·s) немесе сантипуаздарда (сПз, индикация сР) бейнеленеді.
2. Ығысу кернеуі шаршы метрдегі ньютондарда (Нм2, индикация Nm2) немесе шаршы сантиметрдегі диндерде (Динсм2, индикация Dsm2) бейнеленеді.
3. Ығысу жылдамдығы кері секундтарда (1с, индикация 1SEC) бейнеленеді.
4. Калибрленген серіппенің бұралу пайызы толық аралықтың пайыздарында (индикация %) бейнеленеді.
2.2 Жалпы нұсқаулар Техникалық сипатттамалар:
Автономды жұмыс кезінде алма-кезек және бірізді 18 жылдамдықты және таңдамалы түрде 54 жылдамдықты (оператордың таңдауы бойынша) пайдалануға болады.
Дербес компьютерден басқарғанда 0,01-200 айнмин аралығында (дискреттілігі 0,01 айнмин - 0,01-0,99 айнмин, дискреттілігі 0,1 айнмин - 1,0-200 айнмин) жылдамдық қол жетімді болады.
Температураны өлшеу аралығы: -100 ºС - 300 ºС.
Тұтқырлықты өлшеу дәлдігі: өлшеу аралығының жоғары шегінің +- 1,0 %.
Тұтқырлық өлшеуді шығаруы: +- 2,0 %.
Температураны өлшеу дәлдігі: 100 - 149 ºС аралығында +- 1,0 ºС; 150 - +300 ºС аралығында +- 2,0 ºС.
Пайдалану жағдайы: температура 0 - +40 °С, ауаның салыстырмалы ылғалдылығы 20 - 80 %, ылғал конденсациясысыз.
Орнату
1. Зертханалық штативті жинаңыз (модель S);
2. Вискозиметрді штативке орнатыңыз;
3. Температура датчигін вискозиметрдің артқы панеліндегі жалғағышқа қосыңыз;
4. Штатив табанындағы орнату бұрамаларының көмегімен, вискозиметрдің жоғарғы бөлігінде орналасқан көпіршікті деңгей бойынша вискозиметрді қойыңыз. Дұрыс орнатқан кезде ауа көпіршігі орнату сақинасында болуы қажет;
5. Вискозиметрдің артқы панеліндегі қоректі ажыратқыш OFF (сөндірулі) күйінде тұрғанына көз жеткізіңіз.Қоректендіру кабелін аспаптың артқы панеліндегі жалғағышқа қосып, кабель вилкасын желілік розеткаға тығыңыз. Электрмен қамту желісінің кернеуі мен жиілігі аспаптың атаулы тақташасында көрсетілген сипаттамаларға сәйкес келуі қажет. Аспапты жерге тұйықтау қажет;
6. Ажыратқышты ON (қосулы) күйіне қойыңыз және нөлді автоматты орнатпас бұрын 10 минут бойы аспапты қыздырыңыз;
7. Қажет болған жағдайда вискозиметрді тиісті кабельмен жүйелі порт арқылы дербес компьютерге қосыңыз.
Тазарту! Назар аударыңыз! Вискозиметрді тазартпас бұрын шпиндельді шешіңіз. Бұл ережені орындамау вискозиметрдің істен шығуына әкеледі. Шпиндельдің бұрандасы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz