книги / Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов

Рис V I4 Схема взаимодействия двух микро­ гранул

Если частица имеет форму куба, то

Как видно из данных табл. VI.4, связующее покрывает поверхность гру­ бодисперсных частиц твердой фазы не­ сколькими слоями — от 1 до 10. Следует отметить, что в реальных условиях про­ текания технологического процесса свя­ зующее распределяется неравномерно по поверхности абразивных зерен. Таким

образом, в результате последовательного нанесения жидкой5 среды и связующего на поверхность абразивных зерен образу­ ются микрогранулы, состоящие из грубодисперсных частиц,, покрытых слоем жидкой среды и несколькими слоями высоко­ дисперсного связующего. Следует отметить, что этот процессособенно характерен для начальной стадии смешения компо­ нентов формовочной смеси.

Рассмотрим взаимодействие двух микрогранул в условиях псевдоожижения (рис. VI.4). При наложении вибрации эффек­ тивная вязкость высокодисперсного связующего цэфф резко по­ низится от т)о до гр в результате перехода системы в состояние псевдоожижения. Согласно [15] и данным, представленным в- гл. III, в первом приближении можно принять, что высокодис­ персное связующее в этом состоянии ведет себя подобно вязкой жидкости. Отсюда следует, что при наложении на систему виб­ рации с интенсивностью /кр, достаточной для разрушения струк­ туры прослойки из высокодисперсного связующего, оно будет вытесняться из зоны контакта частиц грубодисперсной твердой, фазы [15, 21, 185], в результате чего расстояние между этими1 частицами с течением времени t уменьшится с fro до hi. Это из­ менение можно рассчитать, воспользовавшись уравнением Сте­ фана— Рейнольдса [21, 186]:

где F — сила, обусловливающая сближение частиц диаметром Do, в данном случае сила вибрационного воздействия [99, 100, 187].

В результате вытеснения высокодисперсного связующего увеличится площадь соприкосновения частиц грубодисперсной твердой фазы 5 (см. рис. VI.4). Эту площадь можно определить, путем следующих простых геометрических расчетов. Из рис. VI.4 видно, что объем высокодисперсного связующего V, нахо­ дящегося в зазоре между двумя частицами, равен:

V = Vil — 2Vc, (VI .32)» где Уц — объем цилиндра KNLM; У0 — объем шарового сегмента MCL.

22Й

Расчет по формуле (VI 37); диаметр частиц 0,4 мм

Рис VI.6 Зависимость эффективной вязкости высоконаполненной дисперсной системы I от интенсивности вибрации:

/ — экспериментальная кривая, 2 — расчет по формулам (VT.3I) и (Vf 37)

Объемы 1/ц и Vc составляют:

cos2 a [cos a — 1,5 (1 + h/D0)] + 0,5 (1 + 3h/D0 — 12V/nD%) s=0. (V I.36)

Решение уравнения (VI.36) методом Кардано [188] относи­ тельно cos а позволяет определить площадь соприкосновения •частиц грубодисперсной твердой фазы:

На^ рис. VI.5 представлены результаты теоретически рассчи­ танной зависимости расстояния между частицами грубодисперс­ ной твердой фазы от площади их соприкосновения. Как видно шз рисунка, с уменьшением h величина 5 резко увеличивается. Зная значение S, можно определить число частиц высокодис­ персного связующего в зоне контакта двух микрогранул:

-222

Из выражения (VI.38) следует, что по мере сближения гру­ бодисперсных частиц твердой фазы число частиц высокодис­ персного связующего в зоне контакта возрастает.

Используя представления статистической теории прочности; пористых тел о пропорциональности прочности структуры про­ изведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта [1], можно определить прочность «макрокон­ такта» двух микрогранул Р0:

Из этого выражения видно, что по мере сближения микро­ гранул прочность их «макроконтакта» возрастает. Отсюда сле­ дует, что в условиях псевдоожижения, когда мощность подво­ димой вибрации достаточна для разрушения структуры связу­ ющего и последующего его вытеснения из зоны контакта, воз­ можен рост эффективной вязкости системы, поскольку прирост вязкости системы симбатен приросту площади контакта.

На рис. VI.6 показано изменение эффективной вязкости си­ стемы от интенсивности вибрации. При увеличении интенсив­ ности вибрации в области относительно малых ее значений ( /< /Кр) эффективная вязкость снижается в результате разрыва связей между частицами грубодисперсной твердой фазы. Плот­ ность системы в этой области изменяется незначительно. При переходе в область 1 ^ 1 Кр ( / ^ 0,05 м2/с 3, см. рис. VI.6) наблю­ дается уплотнение системы, сопровождающееся уменьшением толщины прослойки связующего между зернами абразивного материала с соответствующим ростом площади контакта между ними.

Этот процесс сопровождается также и уплотнением структу­ ры в прослойке, увеличением числа контактов между частицами, связующего и ростом ее прочности и вязкости. Вязкость систе­ мы в целом резко возрастает по мере вытеснения прослойки связующего из контакта между грубодисперсными частицами. Более того, если эти частицы гидрофобны, то, как показано в [189, 190], возможно вытеснение жидкой среды из зоны кон­ такта.

Таким образом, увеличение интенсивности вибрации (в об­ ласти / > / кр), что способствует «коалесценции» гранул в трех­ фазной системе, приводит к возрастанию предельного напря­ жения сдвига и эффективной вязкости. Если «коалесценция» гранул завершается переходом трехфазной системы в двухфаз­ ную типа Т—Ж, то последующее увеличение интенсивности виб­ рации может привести только к снижению вязкости вследствиеразрушения структуры в прослойке между частицами грубодис­ персной твердой фазы ([15], см. также разд. 1.2 и II.1).

Воздействие вибрации на трехфазные системы, особенно на системы с малым содержанием жидкой среды, может вызвать

223

противоположный эффект. При превышении интенсивности виб­ рации критического значения соударения гранул в такой трех­ фазной системе подобны соударениям упругих твердых тел и их -«коалесценция», т. е. образование сплошной структуры, стано­ вится невозможной, что приводит к снижению эффективной вязкости системы [15]. Изучение структурно-реологических •свойств таких систем также представляет интерес, поскольку многие дисперсные композиционные материалы, в том числе и -абразивные, получают в результате отверждения композиции.

VI 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ДВУХ- (Т — Г)

М ТРЕХФАЗНЫХ (Т — Ж — Г) СИСТЕМАХ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

VI.3.1. Высокодисперсные порошкообразные материалы

Выше отмечалось, что существенную роль в формировании структуры дисперсных композиционных материалов, в том чис­ ле абразивных, играют структура связующего, степень ее одно­ родности. Поскольку керамическая связка в абразивных мате­ риалах состоит из ряда высокодисперсных компонентов, степень однородности их распределения между собой, достигаемая при смешении, в большой мере сказывается на ее свойствах.

Ранее было показано [15], что при смешении по общеприня­ тым для производства дисперсных материалов методам высоко­ дисперсные компоненты подвергаются преимущественно сдвиго­ вому деформированию, которое не обеспечивает необходимой степени микро- и макрооднородности. При воздействии же виб­ рационного поля с параметрами, соответствующими границе перехода системы из области псевдоожижения в область виброжипения, степень однородности возрастает (см. гл. III).

Результаты исследования реологических свойств некоторых высокодисперсных компонентов связующих в условиях сдвиго­ вого деформирования без вибрации и в сочетании с ней пред­ ставлены в табл. VI.5 и на рис. VI.7. Кинетические кривые на рис. VI.7 отражают зависимость изменения во времени эффек­ тивной вязкости от интенсивности вибрации. Аналогичные за­ висимости получены для полевого шпата и борсиликатной фрит­ ты. Исследования проводились при вибрации с частотами 16, 30, 50 и 100 Гц с помощью ротационного вибровискозиметра, описанного в [15].

Представленные на рис. VI.7 зависимости т)Эфф(t) для вы­ сокодисперсных порошков (глины огнеупорной, полевого шпата, талька, борсиликатной фритты) имеют общие характерные особенности. В отсутствие вибрации по мере увеличения напря­ жения сдвига вначале имеет место упругая деформация, кото­ рая достигает величины, соответствующей предельному напря­ жению сдвига. При этом разрушение структуры сопровождается периодическим частичным восстановлением связей в системе.

324

Таблица VI.5. Структурно-механические свойства высокодисперсных компонентов керамических связок

Такого рода деформация характерна при периодически возни­ кающих в структуре разрывов сплошности, неизбежное следст­ вие которых — неоднородность распределения высокодисперс­ ных компонентов, что и отмечалось в [15, с. 129]. При подве­ дении к системе вибрационного поля явления периодического спада и нарастания напряжения в слое порошка исчезают, про­ цесс разрушения стабилизируется в результате установления равновесного динамического состояния порошка. При увеличе­ нии ускорения вибрации до значения аа2= 40 м/с2 слой порош­ ка переходит в состояние псевдоожижения, которому отвечает ослабление связей между частицами в структуре и осуществле­ ние равновесного течения при постоянном напряжении сдвига, несколько меньшем, чем напряжение сдвига на предшествую­ щей стадии деформирования. В состоянии виброкипения (аа>2 = = 50 м/с2) наблюдается мгновенное уменьшение вязкости и прочности системы, что указывает на снижение числа действую­ щих единичных контактов при снижении плотности структуры сыпучей системы. При прекращении воздействия вибрации (асо2= 0 ) структура порошка в потоке весьма быстро восста­ навливается до уровня, соответствующего начальному участку на деформационной кривой в отсутствие вибрации.

Рис. VI.7. Кинетические кривые изменения эффективной вязкости высокодис­ персных порошков талька (а) и латнинской глины (б) в отсутствие вибра­ ции и при вибрационном воздействии:

1 — область деформации в отсутствие вибрации; 2 — область уплотнения порошка прю вибрации; 3 — начальная область псевдоожижения; 4 — область интенсивного псевдоожи­ жения; 5 — область виброкипения. Частота вибрации: 30 (с) и 50 Гц (б), ускорение вибрации в областях 2—5 указано на соответствующих участках кривых

достижение равновесной эффективной вязкости при вибрации и ее четкая зависимость от параметров вибрация могут служить основой для разработки эффективных методов регулирования структурно-реологических свойств сыпучих дисперсных мате­ риалов. Возможность регулирования структурно-реологических свойств порошкообразных материалов возрастает при сочетании воздействия вибрации и модифицирования поверхности частиц, добавками ПАВ (см. табл. VI.5). Если введение препарата ОП-Ю незначительно уменьшает напряжение сдвига и эффек­ тивную вязкость, то модифицирование добавкой ОДА и особен­ но смесью ОДА и праксанола 228 приводит к существенно* большему эффекту: вязкость полевого шпата при ускорении вибрации 30 g снижается в присутствии ОДА с 431 Па-с до

в том, что оно вызывает объемное и близкое к изотропному раз­ рушение структуры. В этом заключается главное условие эф­ фективного регулирования свойств порошков в таких техноло­ гических процессах, как смешение, транспорт, дозирование,, уплотнение, т. е. в процессах, осуществляемых в состоянии псевдоожижения и кипения [55, 84, 187].

VI.3.2. Трехфазные системы с высоковязкой жидкой средой

Процессы структурообразования в трехфазных дисперсных си­ стемах типа Т—Ж—Г в условиях сочетания вибрации и сдви­ гового деформирования существенно отличаются от процессов

226

структурообразования в двухфазных системах Т—Г. Следует отметить, что ранее не обращалось должного внимания на та­ кие процессы, протекающие при структурообразовании трехфаз­ ных систем, как растекание высокодисперсного связующего по увлажненной поверхности частиц грубодисперсной твердой фа­ зы. Так, в монографии, посвященной проблемам смачивания и растекания жидкой среды по поверхности твердой фазы [191], это явление вообще не рассматривается. Между тем растекание структурированной высокодисперсной системы по поверхности твердой фазы, зависящее от вязкости жидкой среды, в значи­ тельной мере определяет как условия проведения технологиче­ ских процессов получения композиционных материалов, так и их свойства после отверждения.

Ниже дан анализ реологического поведения трехфазной си­ стемы с высоковязкой жидкой средой. Исследованная система (система I) имела состав: зерна электрокорунда, керамическое связующее марки К5 (5—20%), декстрин (0,5—2%), силикат натрия (жидкое стекло вязкостью 2,8 Па-с, 2—6%)-

Как видно из рис. VI.8, в отсутствие вибрации (участок 1) эффективная вязкость такой дисперсной системы вначале резко возрастает за короткий промежуток времени (<1 с) до дости­ жения максимального значения г)Макс, соответствующего пре­ дельному напряжению сдвига, затем постепенно снижается в сдвиговом потоке с появлением локальных разрывов сплошно­ сти [15], что характеризуется периодически повторяющимися спадами и нарастаниями эффективной вязкости в узком интер- ■вале времени. Физическая сущность этого процесса состоит в следующем. При деформации дисперсной системы вследствие

нарушения непрерывности изменения скорости по сечению за­ зора между коаксиальными цилиндрами вискозиметра в систе­ ме формируются локальные объемы, ограниченные поверхно­ стями скольжения (см. раздел IV. 1.1). В результате относитель­ ного перемещения слоев в зоне разрыва сплошности между частицами периодически возникают контакты, которые затем вновь разрываются. В силу этого и возникают периодически повторяющиеся спады и нарастания эффективной вязкости дис-

Рис. VI 8 Кинетическая кривая разруше­ ния и тиксотропного восстановления вы-

0 180 360 540 720 300 10801780 t,c

Рис. VI.9. Микрофотография структуры вьгсоконаполненной дисперсной системы 1 при сдвиговом деформировании без виб­ рации.

Увеличение 300

персной системы, носящие «пилооб­ разный» характер. Внутри же объ­ емов деформируемой системы, огра­ ниченных поверхностями скольже­ ния, структура не разрушается и возникающие до начала деформа­ ций контакты между частицами дисперсных фаз сохраняются. Естественно, что изменение вязко­ сти после появления разрыва сплошности следует рассматривать

лишь как качественную характеристику процесса деформации. Такого рода процесс сдвигового деформирования реализуется при смешении различных компонентов; можно считать, что пове­ дение дисперсной системы в зазоре между коаксиальными ци­ линдрами в известной степени моделирует операцию смешения.

При последующей деформации с постоянной скоростью е= = 7,07 с-1, соответствующей скорости деформации в реальных смесительных аппаратах [192—194], образовавшиеся ранее разрывы сплошности не устраняются. Наличие объемов неразрушаемой структуры, ограниченных поверхностями скольжения* означает, что и при перемешивании системы внутри таких объ­ емов не происходит перераспределения частиц и сохраняется та степень неоднородности, которая соответствовала моменту возникновения структуры в трехфазной системе. Следователь­ но, в этом случае не достигается предельного разрушения структуры во всем объеме. Структура получается неоднородной с характерными дефектами в виде «незалеченных» разрывов сплошности, что отчетливо видно на рис. VI.9.

С наложением вибрационного поля эффективная вязкость дисперсной системы резко возрастает, что объясняется ее уплот­ нением и устранением разрывов сплошности. Последующее снижение эффективной вязкости есть следствие объемного раз­ рушения структуры в результате совместного воздействия виб­ рации и сдвиговой деформации. При этом характер разрушения структуры в дисперсной системе зависит от параметров вибра­ ции. Так, при воздействии вибрации с частотой колебаний 15 Гц и амплитудой 4,5 мм (см. рис. VI.8, участок 2) эффективная вязкость системы уменьшается относительно плавно с постепен­ ным «залечиванием» образующихся ранее в ходе деформации разрывов сплошности, и только через 600—1200 с непрерывного сдвигового деформирования устанавливается равновесный уро­

228

вень эффективной вязкости. Этот уровень в 1,7 раза ниже рав­ новесного уровня эффективной вязкости, достигаемого в услови­ ях непрерывного сдвига до начала воздействия вибрации. Прж вибрации с частотой 20 Гц и амплитудой 2,5 мм (участок 3) структура дисперсной системы разрушается за t e l с с одно­ временным «залечиванием» разрывов сплошности. Равновесный' уровень эффективной вязкости при вибрации и в этом случае­ значительно меньше (в 2,2 раза) равновесного уровня эффек­ тивной вязкости, устанавливающегося в условиях непрерывногосдвига до начала воздействия вибрации. При увеличении час­ тоты колебаний до 25 Гц и соответствующем снижении ампли­ туды вибрации до 1,6 мм (с сохранением постоянного ускоре­ ния колебаний) существенного снижения эффективной вязкости не обнаруживается (участок 4). Образовавшиеся до начала вибрирования разрывы сплошности полностью не устраняются. Равновесные уровни эффективной вязкости при вибрации с ча­ стотой колебаний 25 Гц оказались примерно равными или пре­ вышающими уровень эффективной вязкости в условиях сдвиго­ вого деформирования до начала воздействия вибрации в 1,7— 1,8 раза.

Как видно из рис. VI.8, после прекращения действия вибра­ ции с частотой колебаний 15 Гц и амплитудой 4,5 мм происхо­ дит медленное (за ^=240 с) тиксотропное восстановление структуры в сдвиговом потоке до уровня более высокого, чем равновесный уровень ее разрушения при вибрации, но более низкого, чем первоначальный равновесный уровень разрушения структуры в потоке перед наложением вибрации. После прекращения действия вибрации с частотой колебаний 20 Гц и амплитудой 2,5 мм происходит также медленное (за ^= 180— 240 с) тиксотропное восстановление структуры, но до уровня более высокого, чем равновесный уровень разрушения структу­ ры перед наложением вибрации. Максимальное значение эф­ фективной вязкости, достигаемое при тиксотропном восстанов­ лении структуры, в 1,8 раза превосходит равновесный уровень эффективной вязкости системы перед наложением вибрации. С течением времени в ходе сдвигового деформирования наблю­ дается снижение эффективной вязкости.

Таким образом, в трехфазных дисперсных системах Т—Ж — Г проявляется эффект «вибрационного упрочнения» структуры, обнаруженный ранее в двухфазных дисперсных системах [15]. При последующем увеличении частоты колебаний до 25, 30 и 50 Гц и соответствующем снижении амплитуды вибрации до 1,6, 1,1 и 0,4 мм выраженного тиксотропного восстановления структуры не наблюдается. Равновесный уровень эффективной вязкости после прекращения действия вибрации меньше, чем равновесный уровень эффективной вязкости системы в сдвиго­ вом потоке перед наложением и после наложения вибрацион­ ного поля.

229

Тиксотропное восстановление структуры в потоке после сня­ тия вибрации происходит только в том случае, если уровень разрушения структуры при вибрации ниже уровня разрушения структуры в условиях сдвигового деформирования без вибра­ ции.

Из вышеизложенного видно, что в трехфазных дисперсных системах с высоковязкой жидкой средой в процессе сдвигового деформирования, в том числе при вибрации, реализуется ряд состояний, отличающихся характером изменения реологических

свойств системы во времени (при постоянном значении в). Этим состояниям соответствуют: область I деформации до разрушения структуры в отсутствие вибрации; область II разрушения струк­ туры в процессе сдвигового деформирования в отсутствие виб­ рации; область III разрушения структуры при наложении вибрации; область IV установления равновесного уровня раз­ рушения структуры при вибрации в условиях сдвигового дефор­ мирования; область V тиксотропного восстановления разрушен­ ной структуры в сдвиговом потоке после прекращения воздейст­ вия вибрации; область VI разрушения в потоке упрочненной структуры; область VII установления равновесного уровня эф­ фективной вязкости.

На основании анализа полученных зависимостей эффектив­ ной вязкости трехфазной системы с высоковязкой дисперсион­ ной средой от параметров вибрации установлен механизм раз­ рушения структуры в таких системах при сдвиговом деформи­ ровании под действием вибрации.

Как видно из рис. VI.10 и VI.11, с увеличением ускорения

Рис. VI.10. Зависимость эффективной вязкости высоконаполненной дисперс­ ной системы I от ускорения вибрации.

Интеисивиость вибрации (в м2/с3): 0,017 (7); 0,013 (2), 0,01 (3), 0,008 (4), 0,005 (5)

Рис. VI.11. Зависимость плотности высоконаполненной дисперсной системы I от ускорения вибрации

Частота вибрации (в Гц)- 15 (1), 20 (2), 25 (3), 30 (4), 50 (5)

230