Анализ электрореологического эффекта в дисперсиях полисахаридов с помощью числа Масона Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

Т 51 (11) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2008

УДК 532.135

О.И. Давыдова, Д.А. Агафонов, В.А. Падохин, А.Г. Захаров, А.В. Агафонов

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ДИСПЕРСИЯХ ПОЛИСАХАРИДОВ

С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛА МАСОНА

(Институт химии растворов РАН) E-mail:ava@isc-ras.ru

Проведен анализ электрореологического эффекта в 30% дисперсиях полисахаридов (гидроксипропилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы и крахмала) в полидиметилсилоксане. Установлено, что семейства кривых относительной вязкости дисперсий полисахаридов в электрических полях напряженностью до 5кВ/мм и при различных скоростях сдвига описываются единой зависимостью от числа Масона. Это указывает на общую поляризационную природу взаимодействий, приводящих к изменению вязкости при наложении электрических полей на данные системы.

ВВЕДЕНИЕ

Электрореологический эффект - быстрое, обратимое изменение вязкости дисперсных систем широко исследуется для создания электроуправ-ляемых устройств. На основе электрореологических эффектов в автомобильной технике, робототехнике, космической технике, медицине, микроэлектромеханических системах разработаны элек-троуправляемые демпферы, сцепления, клапаны, захваты, элементы прецизионного позиционирования, тактильные устройства и др.. Существенное значение в величине электрореологического эффекта играет химическая природа дисперсной фазы. Ранее нами был экспериментально изучен электрореологический эффект в 30% дисперсиях полисахаридов (гидроксипропилцеллюлозы, кар-боксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы и крахмала) в полидиметилсилоксане [1, 2]. Было установлено, что влияние электрических полей на кажущуюся вязкость, напряжение сдвига, напряжения при растяжении и сжатии дисперсий зависит от типа полисахарида, используемого в качестве материала дисперсной фазы. Целью данной работы являлось использование числа Масона в качестве критерия подобия для анализа общих закономерностей в электрореологическом эффекте в дисперсиях полисахаридов.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Структура и реология электрореологических жидкостей определяются различными связанными между собой силами взаимодействия

дисперсных частиц в электрических полях. Эти взаимодействия могут быть обусловлены поляризационными явлениями, эффектами перекрывания внешних оболочек частиц дисперсной фазы, вращением частиц в электрических полях и др.. Для режима установившегося сдвигового течения электрореологической жидкости большой интерес представляет описание на основе взаимосвязи между гидродинамическими (вязкостными) и электростатическими поляризационными силами с помощью числа Масона [3]:

Мп=Псу/2вовс Р2Б2, где Пс - относительная вязкость ЭРЖ в электрическом поле, у- скорость сдвига, е0-диэлектрическая постоянная вакуума, ес - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды, в- поляризуемость частиц дисперсной фазы, Е- напряженность электрического поля.

На основании измеренных ранее значений вязкости дисперсий полисахаридов в силиконовом масле в присутствии постоянного электрического поля разной напряженности [1] были построены графические зависимости относительной вязкости суспензий от величины у/Е2 при различных значениях скорости деформации. Подробно методика измерения вязкости электрореологических жидкостей изложена в работе [4]. Значения относительной вязкости оценивались отношением вязкости суспензий при наложении электрического поля к вязкости жидкости без поля. На рисунке 1(а,б,в,г) представлены полученные зависимости для систем на основе различных полисахаридов.

80-, 70

60 50

к 40

30 20

10

■ —w=100 об/мин • —w=50 об/мин w=60 об/мин т—w=20 об/мин

20

40

60

80

T7E2

350

300

250

200

150

100

50

— «^w=100 об/мин —•—w=60 об/мин —a— w=50 об/мин —w=20 об/мин —»^w=10 об/мин

20

—I—

40

~60~

80 у/в2

б

а

0

0

0

35-

30-

25-

2015

10-

5

0

-■^w=100 об/мин -•^w=50 об/мин -a— w=20 об/мин

—I—

20

—I—

40

~60~

80 у/В2

80-,

7060-

50-

4030-

2010-

0

-^w=100 об/мин -^w=60 об/мин w=20 об/мин

20

40

60

80 у/В2

в

г

0

Рис 1. Зависимость относительной вязкости суспензии с содержанием дисперсной фазы (а- карбоксиметилцеллюлоза, б- гидро-

ксипропилцеллюлоза, в-гидроксиэтилцеллюлоза, г- крахмал) 30 вес.% в полидиметилсилоксане от у/Е2. Fig. 1. Suspension relative viscosity with content of dispersion phase (а-carboxymethyl cellulose, б - hydroxypropyl cellulose, в - hy-droxyethyl cellulose6 г - starch) of 30 weight% in polydimethylsiloxane vs у/Е2.

140-

120-

o 100-

80 60

40

20

0

■ -ГОЭЦ •-ЫаКМЦ крахмал т-ГОПЦ

8 10 12 14 16 18 у/В2

Рис 2. Зависимость относительной вязкости суспензий различных полисахаридов с содержанием дисперсной фазы 30

вес.% в полидиметилсилоксане от y/E2. Fig. 2. Suspension relative viscosity of various polysaccharides with content of dispersion phase of 30 weight% in polydimethylsiloxane vs у/Е2.

Как следует из рисунков, данные относительной вязкости сливаются в одну кривую. Это свидетельствует о том, что поляризационно-контролируемая структура суспензий существенно не изменяется с изменением силы поля. Смена природы полисахарида не оказывает существенного значения на ход представленной зависимости.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ грант №07-03-00300.

ЛИТЕРАТУРА

1. Давыдова О.И. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51. Вып. 11. С. 41-43.

2. Давыдова О.И. и др. Механика композиционных материалов и конструкций 2008. Т. 14. № 1. С. 97-104.

3. Marshall L., Zukoski C.F., Goodwin J.W. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1989. N 1. V. 85. P. 2785.

4. Краев А.С. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 6. С. 35-39.