ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ультразвуковое воздействие из "Механохимия высокомолекулярных соединений" Упругие механические колебания в диапазоне частот 10 —10 гц называются ультразвуковыми (рис. 177). Указанные границы диапазона в значительной степени условны, в том числе по механизму воздействия на среду. Ультразвуковые колебания возбуждаются специальными высокочастотными генераторами аэродинамическими, гидродинамическими, магнитострикционными и пьезозлекпрически.ми. Наиболее распространенными в лабораторной практике ультраакустических исследований жидких и твердых сред являются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Варианты ультразвуковых генераторов, основанных на различных принципах преобразования энергии, подробно описаны в различных мо-нографиях сборниках , обзорах и других литературных источниках и здесь не рассматриваются. [c.236] Акустические колебания, распространяясь в данной среде, вызывают появление звукового давления, изменяющегося с определенной амплитудой. [c.236] Звуковое давление, распространяясь в упругой среде в виде волн с некоторыми амплитудой и частотой, вызывают в определенных точках пространства соответствующее переменное увеличение и уменьшение давления. При уменьшении давления до величины, превышающей когезионную прочность л идкой среды, образуется полость, заполненная присутствующими в жидкости газами или парами данной жидкости. При последующем повышении давления полость спадает, схлопывается, что сопровождается гидравлическим ударом. Такое образование и схлонывание полостей называется кавитацией. Кавитация составляет специфику ультразвукового воздействия, является тем элементарным актом, который инициирует и определяет все последствия этого воздействия. [c.236] Физические, физико-химические и химические преобразования жидких сред (и находящихся в них компонентов) под действием ультразвука неизбежно связаны с явлением кавитации. Несмотря на огромное число опубликованных работ, обзоров З звт-зэо обстоятельных монографий сборников , сущность кавитационных явлений исследована далеко не исчерпывающим образом, особенно в части, овязаиной с преобразованием макро.молекуляр-ных систем. [c.237] Не имея возможности сколько-нибудь полно изложить в данном разделе сведения о превращении макромолекулярных объектов в поле ультразвуковых волн, автор отсылает интересующихся деталями и многочисленными примерами к упомянутым выше литературным источникам. Здесь же будут представлены в наиболее общем виде отдельные стадии механохимических превращеник полимеров при ультразвуковом воздействии. Но сначала рассмотрим последовательные стадии кавитации . [c.237] Факторы, затрудняющие образование кавитационных полостей, — повышение статического давления, удаление растворимых газов (обезгажпвание среды) снижают, тормозят или даже полностью снимают эффект ультразвукового воздействия. [c.238] При образовании стоячих волн в пучностях возможно образование кавитационных пузырьков резонансных размеров, пульсирующих с соответствующей частотой без полного схлопывапия. Несмотря на отсутствие схлопывапия, резонансной кавитации приписывается максимальная эффективность в смысле химических последствий ультразвукового воздействия. [c.238] При резонансных колебаниях пузырьков, если рассматривать кавитацию как адиабатический процесс, возможно возникновение местных давлений, в 10 раз превышающих гидростатическое, и гемператур до 10 °К, прячем именно этим факторам приписывается инициирование химических последствий ультразвукового воздойствия . Однако это объяснение не единственно возможное. [c.238] На практике значение достигает 1велячин порядка сотен в/см, что достаточно для пробоя разреженной полости. [c.238] Электронный лрйбой и ионизация в водных средах приводят к образованию перекисей, в частности Н2О2, гидроксильных радикалов, атомарного водорода, кислорода, и развитию последующей цепи окислительно-восстановительных процессов с участием компонентов среды. Это подтверждается и определенным влиянием природы растворенных газов . [c.239] И наконец, при спадании полости, схлопывании кавитационного пузырька возникают мощные гидравлические удары. Эти гидравлические удары, инициирующие ударные волны, сопровождаются локальным импульсом давления порядка сотен атмосфер и возникновением потоков с огромными градиентами скоростей н являются тем фактором, который вызывает механохимические явления. Именно ударная волна и скоростные потоки жидкой среды, обтекающие макромолекулы, вызывают ее механокрекннг и тем самым инициируют цепь последующих механохимических превращений, а в результате предшествующих электрохимических явлений активируются низкомолекулярные компоненты среды. [c.239] Таким образом упрощенно можно представить, что кавитационный акт состоит из двух основных этаиов. Во-первых, это — возникновение и рост кавитационной полости, разрыв сплошности среды, образование микроконденсатора, разряд, ионизация, возникновение активных частиц. Во-вторых, это — спадение полости и схлонывание пузырька, возникновение удар.ной волны, импульса давления и температуры, возникновение потоков и крекинг цепных молекул. Далее протекают процессы взаимодействия образовавшихся активных частиц как между собой, так и с неактивированными компонентами среды. [c.239] Отсюда очевидно, сколь разнообразны возможности течения параллельных и последовательных процессов между компонентами жидкой системы, комплексно-активированной ультразвуковым облучением. Это обстоятельство приводит к противоречивому истолкованию причин и следствий ультразвуковых процессов. [c.239] Условно ультразвуковые химические реакции можно разделить на следующие группы реакции, протекающие непосредственно в кавитационной полости реакции, протекающие на границе раздела полости и среды в мономолекулярном граничном слое последней реакции веществ, образующихся в полости с компонентами среды в объеме после схлопывапия полости реакции, инициируемые ударной волной, возникающей при схлопывании полости. [c.239] Именно реакции последней группы определяют вклад механической составляющей в общий комплекс химических превращений в ультраакустическом поле. [c.240] Все это относится к водным, органическим или смешанным системам, в которых возможна диссоциация с образованием заряженных частиц. Однако кавитационный эффект в неполярных средах также приводит к химическим превращениям в присутствии макромолекулярных компонентов. При этом протекание электрохимических процессов менее вероятно, но их отсутствие с одновременным изменением строения макро1молекулярного компонента дает основания полагать, что гидродинамический фактор кавитации (образование полости, ее схлонывание и возникновение ударных волн) имеет самостоятельное значение и вызывает специфическую активацию системы. Именно в этом случае процесс в целом наиболее близок к механохимическому, поскольку кавитационные импульсы давления и потоки среды инициируют механокрекинг, как первичную причину последующих превращений. [c.240] После краткого ознакомления с общей характеристикой действия ультразвука, не останавливаясь на весьма разнообразных химических превращениях низкомолекулярных веществ, рассмотрим некоторые особенности этих реакций применительно к макро-молекулярным системам. [c.240] Еще более 30 лет назад было отмечено необратимое снижение вязкости растворов полимеров, например полисахаридов, после ультразвукового облучения. Несколько позже аналогичные наблюдения были сделаны на примере поливинилацетата, полиакрилатов, нитрата целлюлозы. Этот эффект не был связан с дезагрегацией и комформационными превращениями, поскольку сохранялся после высаждения и последующего растворения полимеров. Более того, он проявлялся и в условиях исключения кавитации обезгажизанием и наложением внешнего давления. [c.240] Причины механокрекинга объясняли возникновением сил тре яия между потоком молекул растворителя и макромолекулами которые, суммируясь по длине цепи з, вызывают напряжения превышающие прочность валентных связей. Произведенные под счеты показали, что действительно при наличии больших гряди ентов скорости потоков, обтекающих макромолекулу, при озвучи вании в растворе могут возникать силы порядка 5—6-10 /связь, достаточные для разрыва макроцепей. Возникновение иапряже-чий, достаточных для -механокрекинга, вероятнее для средней части макромолекул. [c.240] Вернуться к основной статье