ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Анализ полной реологической кривой концентрированных дисперсных систем из "Физико-химические основы технологии дисперсных состем и материалов" Большинство гетерогенных процессов с участием дисперсных систем сопровождается их течением с эффективной вязкостью, существенно зависящей от скорости деформации. Более того, интенсивный конвективный массообмен в дисперсных системах является необходимым условием проведения любых технологических процессов, реализуемых в аппаратах с внешним подводом механической энергии. Следовательно, построение общей теории течения концентрированных дисперсных систем необходимо для создания физико-химических основ технологии производств с участием дисперсных систем. [c.50] В соответствии с [15, 49] в процессе сдвигового деформирования может проявиться один из четырех механизмов течения структурированных дисперсных систем (рис. II.1) 1) течение без разрушения структурной сетки при весьма малой скорости деформации, 2) течение при полном разрушении структуры с распадом ее на первичные частицы, что наблюдается при максимальной скорости деформации, соответствующей достижению наименьшего уровня эффективной вязкости этот механизм течения и соответственно наименьший уровень вязкости могут быть реализованы при сочетании сдвигового деформирования и вибрации (при предельном вибрировании [15]), 3) течение, сопровождающееся распадом структуры на агрегаты из частиц и одновременным возникновением новых агрегатов при непрерывном сдвиговом деформировании или в условиях его сочетания с вибрацией, 4) течение, реализующееся в условиях сдвиговой деформации в результате возникновения локального разрыва сплошности, т. е. локального разрушения структуры при сохранении неразрушенной структуры вне зоны разрыва сплошности. [c.51] Данная формула применима, если объемная концентрация твердой фазы ф— -фмакс, т. е. диаметр частиц По близок к расстоянию между их центрами о= о+й. [c.51] Из соотношения (И.5) следует, что если выполняется условие (11.1), то вклад в эффективную вязкость определяется именно вторым слагаемым в правой части (П.5), характеризующим оценку вязкости с учетом столкновений частиц. [c.52] Формулы (П.9) — (П.10) и многие подобные результаты близки по физическому смыслу и обоснованию. Они основаны на использовании понятия поверхность разрушения . [c.54] В работе [61] исследована модельная система — смесь большого числа шариков из полистирола (порядка 10 штук), не проводящих электрический ток, с включением некоторого количества токопроводящих шариков. Установлена зависимость электропроводности а такой системы от доли V токопроводящих шариков. Полученные результаты модельного эксперимента хорошо согласуются с теорией протекания. Модельная система (порошок полистирола), рассмотренная в [58], по мнению автора работы, хорошо представляет основные прочностные характеристики различных пористых тел. Адекватность указанных модельных систем служит основанием возможности распространить методы теории протекания, которую обычно формулируют в терминах электропроводности, на теорию прочности пористых тел. [c.55] Такое предположение оправдывается тем, что параметр О выражает некоторое топологическое свойство гетерогенной системы определяет число различных токопроводящих путей, соединяющих две плоскости, которыми ограничена система сверху и снизу, причем каждый путь состоит из отрезков, связывающих центры двух проводящих шариков в первой модели и частиц дисперсной фазы во второй модели, если оба шарика имеют точку касания. [c.55] Методы расчета параметра О в теории протекания особенно тщательно разработаны для моделей структур из частиц, образующих различные правильные решетки, например кубическую [62], тетраэдрическую [61]. Покажем методы расчета параметра С для некоторых типов решеток. [c.55] Зависимость (П.14) была экстраполирована на любые решетки, причем оказалось, что она хорошо согласуется с результатами, полученными другими методами для тех немногих решеток, для которых к известно. Например, для кубической решетки (2о = 6) в соответствии с (П.14) следует к = 2,5, что согласуется с результатом [62], полученным строгим решением задачи для этой решетки. [c.56] Таким образом, относительная погрешность при О— -1 составляет порядка 0г 0,07. Результат теории протекания (11.17) находится в рамках этой экспериментальной погрешности. Указанная экспериментальная погрешность связана в значительной мере с конечностью числа частиц в образце. Действительно, в [58] прочность измеряли при растяжении цилиндрического образца диаметром 20 мм, диаметр частиц составлял 1)о = 0,86 мм. Следовательно, при объемной доле твердой фазы ф фмакс 0,59 число частиц в поперечном сечении образца составляло около 300, так как относительная погрешность за счет флуктуаций числа частиц, по которым проходила поверхность разрушения , была порядка 1/у300 0,06, что близко к полученному выше значению Ьг. [c.58] Таким образом, теория протекания в решетке случайно упакованных сфер позволяет получить формулы для расчета относительной прочности структуры, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Кроме того, использование представлений этой теории позволяет избежать ряда не вполне обоснованных допущений, которые обычно вводятся в теории прочности, основанные на других предс авлениях. Это обстоятельство связано с тем, что обычные теории прочности базируются на понятии поверхность разрушения . Посчитав число прочных связей, разрывающихся при разрушении материала по этой поверхности, оценивают его прочность. Как отмечалось в [58], при этом не учитывается наличие макропор в структуре, которые усложняют форму поверхности разрушения. Чтобы учесть этот факт, приходится вносить в формулу (11.10) поправки [58], вводя некоторые дополнительные предположения о форме пор. [c.58] Расчеты, использующие методы теории протекания, избавлены от этих недостатков, так как в них не применяется понятие поверхности разрушения . Величина относительной прочности С, как отмечалось выше, вычисляется без дополнительных допущений как степень связности материала. [c.58] Из этих формул следует, что движение дырок в значительной степени активизируется при Р—ksT— -Ua, чему соответствует разрушение структуры системы. Подробнее данная модель будет обсуждаться в разд. П.4. [c.59] В теориях, использующих понятие квазикристаллической решетки [65, 66], формула (П.19) применяется при Р Ркр- когда структуру можно считать неразрушенной. При Р Ркр предполагается, что поведение системы не отличается от поведения концентрированной суспензии невзаимодействующих сфер. [c.59] В реальных системах упаковка частиц неоднородна. Это можно учесть в рамках данной модели, предположив, что в квазикристаллической решетке существуют скопленяя дьгрок т. е. полости, свободные от дисперсной фазы. Подобно тому, как это имеет место в кристаллических телах, при наложении на систему напряжения сдвига такие полости могут перерасти в разрывы сплошности (трещины). Возможность роста полости определяется, как показано в [68], соотношением времен релаксации процессов, протекающих при деформации системы вблизи этой полости. [c.60] Выше отмечалось, что процесс течения структурированной системы во многих случаях сопровождается разрывом сплошности (см. рис. II. 1, участок 4). Роль и последствия возникновения разрыва сплошности для технологии дисперсных систем рассмотрены в [15]. Здесь лишь отметим, что это явление представляет собой одно из главных препятствий интенсификации гетерогенных процессов в дисперсных системах, в том числе процессов получения дисперсных систем и материалов с максимально однородным (равновероятным) распределением различных дисперсных фаз между собой и в объеме дисперсионной среды. [c.61] Величина /, характеризующая степень неоднородности укладки частиц в системе, играет существенную роль в данной модели. Ясно, что наибольшая неоднородность имеет место вблизи рабочей поверхности вискозиметра, однако способ оценки I остается неопределенным. Несмотря ца все эти недостатки, данная модель достаточно точно описывает основную особенность реологической кривой концентрированных (ф фкр) суспензий— появление на ней зоны плато , которой соответствует пониженная по сравнению с суспензиями ф фкр вязкость. [c.62] На всех участках реологической кривой можно добиться снижения эффективной вязкости путем вибрационного воздействия на систему. Исключение составляют системы с полностью разрушенной структурой, вязкость которых растет с увеличением скорости вибрации за счет интенсификации процесса столкновений частиц, в частности, в результате проявления виброди-латансии (см. гл. IV). [c.68] Теоретически и экспериментально доказанная возможность снижения эффективной вязкости ВКДС во всем их объеме до наименьшего значения, соответствующего истинно предельному разрушению структуры, имеет существенно важное значение для оптимизации и интенсификации гетерогенных химико-технологических процессов в таких системах. Именно такое динамическое состояние дисперсных систем, соответствующее их максимальной текучести, отвечает условию максимальной скорости и полноты протекания процессов на межфазных границах, достижению наибольшей однородности распределения компонентов в многокомпонентных системах и получению однородных структур дисперсных материалов. [c.68] Вернуться к основной статье