CC BY
0Д.Н. Макарова, младш. науч. сотрудник Т.С. Дембелова, д-р техн. наук А.Б. Цыренжапова, младш. науч. сотрудник Институт физического материаловедения Б.Б. Бадмаев, д-р техн. наук, lmf@ipms.bscnet.ru
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
г. Улан-Удэ
УДК 532.135
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПОЛИЭТИЛСИЛОКСАНОВОЙ ЖИДКОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Исследуются динамические вязкоупругие свойства полиэтилсилоксановых жидкостей в зависимости от температуры. Динамический модуль сдвига и тангенс угла механических потерь указанных жидкостей измерены акустическим резонансным методом с применением пьезорезо-натора с резонансной частотой 73 кГц. Показано, что с увеличением температуры модуль упругости растет, а тангенс угла механических потерь уменьшается.
Ключевые слова: пьезорезонатор, модуль упругости, тангенс угла механических потерь, акустический резонансный метод, температура.
D.N. Makarova, J R.
T.S. Dembelova, D.Sc. Engineering A.B. Tsyrenzhapova, J R.
B.B. Badmaev, D. Sc. Engineering
INVESTIGATION OF VISCOELASTIC PROPERTIES OF POLYETHYLSILOXANE LIQUID DEPENDING ON TEMPERATURE
The dynamic viscoelastic properties of polyethylsiloxane liquids depending on temperature are investigated. Dynamic shear modulus and mechanical loss tangent of the angle of these liquids were measured by acoustical resonance method using piezoelectric resonator with 73 kHz resonance frequency. It is shown that with increasing temperature the modulus of elasticity is growing, and mechanical loss tangent of the angle decreases.
Key words: piezoelectric resonator, the elasticity modulus, mechanical loss tangent, the acoustical resonance method, temperature.
В работах [1-4] акустическим резонансным методом впервые было обнаружено наличие низкочастотной (105 Гц) сдвиговой упругости жидкостей. Данный факт показывает, что в жидкостях наряду с высокочастотным существует неизвестный ранее низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс, обусловленный, по-видимому, коллективными взаимодействиями больших групп молекул (кластеров). Исследования показали, что тангенс угла механических потерь tg в меньше единицы. Следовательно, частота релаксации данного процесса ниже частоты эксперимента, которая составляла ~74 кГц.
Суть акустического резонансного метода заключается в следующем. Грань пьезоре-зонатора, колеблющаяся на основной резонансной частоте в собственной плоскости, со-
Рис. 1. Пьезокварц с добавочной связью: 1 - пьезокварц; 2 - прослойка жидкости; 3 - твердая накладка
прикасается на одном конце с прослойкой исследуемои жидкости, накрытой кварцевой накладкой (рис. 1). При тангенциальных смещениях грани пьезокварца прослойка жидкости будет испытывать деформации сдвига, и в ней должны установиться стоячие сдвиговые волны. Накладка при этом будет практически покоиться. В зависимости от толщины прослойки жидкости изменяются параметры резонансной кривой пьезокварца: собственная резонансная частота и ширина резонансной кривой. Если прослойка жидкости обладает сдвиговой упругостью, то резонансная частота будет возрастать по сравнению с частотой свободного пьезокварца. В случае, если бы в прослойке действовали только диссипа-тивные вязкие силы, резонансная частота должна уменьшаться. Метод отличается высокой чувствительностью и применим в широком диапазоне измеряемых вязкостей. В эксперименте применялся пьезокварцевый кристалл Х-18,5 ° среза размерами 34,9х12х6 мм , массой 6,82 г и резонансной частотой 73,2 кГц, у которого на грани, перпендикулярной оптической оси, коэффициент Пуассона равен нулю. Это необходимо для выполнения важного требования - отсутствия нормальной компоненты колебаний на рабочей грани пьезокварца.
Для выяснения характера низкочастотного вязкоупругого релаксационного процесса необходимо проведение экспериментов в широком диапазоне частот, где можно ожидать прохождения через частоту релаксации. Основным недостатком рассмотренного выше акустического резонансного метода с применением пьезокварцевого резонатора является то, что он работает на строго фиксированной частоте и варьирование частотой невозможно. Однако есть и другой способ - исследование на одной частоте, но в широком диапазоне температур. Можно предположить, что с увеличением температуры в жидкости разрываются межмолекулярные и межкластерные связи, что ведет к изменению вязкоупругих характеристик жидкости, а следовательно, и частоты релаксации. Таким образом, в эксперименте, изменяя температуру в широком диапазоне, мы можем приблизиться к частоте релаксации и даже пройти через нее.
Теория акустического резонансного метода [5] для расчета действительного О' и мнимого О" модулей сдвига дает следующие расчетные формулы:
4ж2М/0АГИ ; 4Ж2М/()Л/"Н
5 ' 5 '
где М- масса пьезорезонатора; /0 - резонансная частота; Л/' - действительный сдвиг резонансной частоты; ЛЛ" - изменение полуширины резонансной кривой пьезорезонатора (мнимый сдвиг резонансной частоты); 5 = 0,2 см2 - площадь основания накладки.
Для тангенса угла механических потерь будем иметь выражение:
Л О" ЛЛ"
^6 = — = —. (2) О' ЛЛ'
Из этих формул видно, что при наличии комплексного модуля сдвига у исследуемой жидкости зависимости сдвигов частот ЛЛ и АЛ" от обратной толщины жидкой прослойки должны быть линейными.
Одним из важнейших факторов, характеризующих качество кварцевого резонатора, является температурный коэффициент частоты, т.е. изменение его резонансной частоты в функции температуры. Численно этот коэффициент показывает величину относительного отклонения частоты кварцевого резонатора при его нагреве или охлаждении на 1 °С Величина температурного коэффициента частоты зависит, в частности, от угла среза пьезо-кристалла. В связи с этим нами исследована зависимость резонансной частоты пьезорезо-натора Х-18,5 ° среза в зависимости от температуры в диапазоне от 20 до 90 °С.
я Гц 73220
На рисунке 2 показана зависимость резонансной частоты пьезорезонатора от температуры. Видно, что в данном диапазоне температур резонансная частота пьезорезонатора
уменьшается линейно. Эти данные использованы при определении комплексного сдвига резонансной частоты.
Для исследования были выбраны полиэтилсилоксановые (11ЭС) жидкости. Эти жидкости представляют собой либо смесь полимеров линейной
(С2Н^5!-0-[8НС2Н5)20]л-8КС2Н;Ь И
циклической [(СгНэЬЗЮ^ структур, либо полимеры линейной структуры.
Полиэтилсилоксановые жидкости находят широкое применение в современной технике в качестве консистентных смазок, приборных масел, полирующих средств.
В работе [6] были показаны зависимости действительного модуля сдвига от обратной толщины жидкой прослойки ПЭС жидкостей при комнатной температуре. Линейность зависимостей сдвигов частот от обратной толщины жидкой прослойки свидетельствует о наличии у этих жидкостей объемного модуля сдвига, т.е. не зависящего от толщины прослойки жидкости. Возможно, более тонкие слои этих жидкостей могли бы обнаружить наличие особой граничной упругости. Однако в наших экспериментах существование такой упругости не ощущается. По-видимому, толщины граничных слоев много меньше толщины прослойки жидкости в эксперименте. В работах [7, 8] были измерены динамические модули сдвига полимерных жидкостей по распространению сдвиговых волн. Полученные результаты показали, что низкочастотная сдвиговая упругость является свойством жидкости в объеме. Для проведения эксперимента система «пьезокварц - прослойка жидкости - накладка» помещалась в термо-
35 —Г 0,45
73200
73180
73160
73140
73120
73100
73080
73060
73040
20
30
40
50
60
70
80
90 Г, °С
Рис. 2. Температурная зависимость резонансной частоты /и свободного пьезокварца
60 , 7О (. С
Рис.3. Температурная зависимость действительного модуля сдвига для ПЭС-1 при толщине жидкой прослойки Н=4,45 мкм
Рис.4. Температурная зависимость тангенса угла механических потерь для ПЭС-1 при толщине жидкой прослойки Н= 4,45 мкм
стат. После получения равномерной по толщине жидкой прослойки измерялся комплексный сдвиг резонансной частоты по мере изменения температуры. Температура в термостате измерялась с точностью 0,1 °С. На рисунке 3 показана зависимость действительного модуля сдвига G' от температуры для полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-1. Значения G' при разных температурах рассчитаны по формуле (1). Из рисунка видно, что с увеличением температуры G' растет. А значения тангенса угла механических потерь tge, рассчитанные по формуле (2), уменьшаются (рис. 4). Данный факт свидетельствует о том, что при увеличении температуры мы отдаляемся от частоты релаксации. В дальнейшем, чтобы приблизиться к частоте релаксации, необходимо проведение экспериментов при более низких температурах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 12-02-31813 мол а, № 12-02-98012-рсибирьа, № 12-02-98003-р_сибирь_а.
Библиография
1. Базарон У.Б., Дерягин Б.В., Булгадаев А.В. О сдвиговой упругости граничных слоев жидкостей // Докл. АН СССР. - 1965. - Т. 160. - № 4. - С. 799-803.
2. Базарон У.Б., Дерягин Б.В., Булгадаев А.В. Измерение сдвиговой упругости жидкостей и их граничных слоев резонансным методом // ЖЭТФ. - 1966. - Т. 51, вып. 4 (10). - С. 969-982.
3. Базарон У.Б., Дерягин Б.В., Будаев О.Р. Измерение комплексного модуля сдвига жидкостей // ДАН СССР. -1972. - Т. 205. - № 6.- С. 1326-1329.
4. Базарон У.Б. Низкочастотная сдвиговая упругость жидкостей. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2000. - 165 с.
5. Занданова К.Т., Дерягин Б.В., Базарон У.Б. и др. Комплексный модуль сдвига жидкостей и его зависимость от угла деформации // ДАН СССР. - 1974. - Т. 215, № 2. - С. 309-312.
6. Дембелова Т. С., Дамдинов Б.Б., Бадмаев Б.Б. и др. Вязкоупругие свойства полимерных жидкостей и их смесей // Вестник ВСГУТУ. - 2012. -№ 1 (36). - С. 33-36.
7. Базарон У.Б., Дерягин Б.В., Будаев О.Р. и др. Определение низкочастотного комплексного модуля сдвига жидкостей по измерениям длины сдвиговых волн // ДАН СССР. - 1978. - Т. 238, № 1. - С. 50-53.
8. Макарова Д.Н., Бадмаев Б.Б., Дембелова Т.С. и др. Акустический импедансный метод измерения низкочастотной (105 Гц) сдвиговой упругости жидкостей // Сб. тр. XXII сессии Российского акустического общества.- М.: ГЕОС, 2010. - Т. I. - С. 134-137.
Bibliography
1. Bazaron U.B., Derjaguin B.V., BulgadaevA.V. On the shear elasticity of boundary layers of liquids // AN SSSR Reports. - 1965. - Vol. 160, N 4. - P. 799-803.
2. Bazaron U.B., Derjaguin B.V., Bulgadaev A.V. The measurement of the shear elasticity of liquids and their boundary layers using the resonance method // JETF. - 1966. - Vol. 51, N 4 (10). - P. 969982.
3. Bazaron U.B., Derjaguin B.V., Budaev O.R. The measurement of the complex modulus of elasticity of liquids // AN USSR Reports. - 1972. - Vol. 205, N 6. - P. 1326-1329.
4. Bazaron U.B. Low-frequency shear elasticity of liquids. - Ulan-Ude: Buryat Scientific Center of the Siberian Branch of RAS, Press, 2000. - 165 p.
5. Zandanova K.T., Derjaguin B.V., Bazaron U.B. et al. The complex modulus of elasticity of liquids and their dependence on the shear angle // AN USSR Reports. - 1974. - Vol. 215, N 2. - P. 309312.
6. Dembelova T.S., Damdinov B.B., Badmaev B.B. et al. Viscoelastic properties of polymeric liquids and their mixes// ESSTU Bulletin. - 2012. -N1 (36). - P. 33-36.
7. Bazaron U.B., Derjaguin B.V., Budaev O.R. et al. Determination of low-frequency complex shear modulus of liquids by measuring of shear wave length// AN USSR Reports. - 1978. - Vol. 238, N 1. -P. 50-53.
Makarova D.N., Badmaev B.B., Dembelova T.S. et al. Acoustical impedance method of measurement of low-frequency (105 Hz) shear elasticity of liquids // Proc. of XXII of the session of the Russian Acoustical Society. - М.: GEOS, 2010. - Vol. I. - P. 134-137.
