книги / Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов

вибрации от 1 до 2 g эффективная вязкость и плотность иссле­ дуемой системы возрастают во всем изучаемом интервале час­ тот. При достижении ускорения вибрации свыше 2 g эффектив­ ная вязкость системы резко снижается, и минимальное ее зна­ чение соответствует наибольшему значению ускорения вибрации, равному 7 g, в то время как плотность системы почти не меня­ ется. Таким образом, критическому ускорению вибрации, рав­ ному 2g, отвечает максимальное значение плотности и эффек­ тивной вязкости исследуемой системы. Следовательно, критиче­ ское ускорение вибрации, равное 2g, соответствует границе перехода дисперсной системы из состояния виброуплотнения в

снижается. Это объясняется уменьшением степени уплотнения системы в результате снижения интенсивности вибрации. Ана­ логично исследуемым системам ведут себя при вибрации с ус­ корением, меньшим критического, грубодисперсные двухфазные системы типа Т—Г при D0>D0, Kp (см. гл. III). Однако в отли­ чие от грубодисперсных порошков, плотность которых резко уменьшается при переходе из состояния псевдоожижения к виброкипению, у трехфазных дисперсных систем плотность су­ щественно не меняется при вибрации с ускорением, превышаю­ щим 2g. Причиной такого поведения трехфазной дисперсной системы Т—Ж —Г с высоковязкой жидкой средой является об­ разование макрогранул в ходе ее приготовления, состоящих из частиц грубодисперсной твердой фазы, покрытых слоем высо­ ковязкой жидкой среды, и частиц высокодисперсного связую­ щего. Такие макрогранулы формируются вследствие того, что вначале на поверхность частиц грубодисперсной твердой фазы наносится тонкий слой жидкой среды и лишь затем слой высо­ кодисперсного порошка.

Как было показано выше (см. рис. VI.6), с увеличением ин­ тенсивности вибрации с 0,02 до 0,05 м2/с 3 эффективная вязкость системы снижается с 11,5 до 1,7 Па-с. Объясняется это тем, что по мере увеличения интенсивности вибрации возрастает сила соударения микрогранул, в результате структура оболочки микрогранул разрушается и жидкая среда растекается по по­ верхности частиц грубодисперсной твердой фазы; растекание носит волнообразный характер. Это подтверждается микрофо­ тографией структуры дисперсной системы, полученной на элек­ тронном сканирующем микроскопе (рис. VI. 12). Происходит растекание вязких жидкостей с образованием продольных и по­ перечных волн [21].

Характер волн растекания высоковязкой среды в основном определяется параметрами вибрации. Чем выше интенсивность вибрации, тем меньше расстояние, на которое сблизятся части­ цы грубодисперсной твердой фазы. Поскольку толщина свя-

231

Рис. VI.14. Реологическая кривая высоконаполненной дисперсной системы I в

отсутствие вибрации (1) и при вибра­

ции (2)

Если объемное содержание и высокодисперсного компонента в составе связующего увеличивает- в- ся, то для формирования «макроконтактов», представленных на рис. VI. 13, в, требуется большая интенсивность вибрации. Так, при увеличении содержания вы­ сокодисперсной твердой фазы с 10 до 20% необходимо повысить

I с 0,05 до 0,1 м2/с3 и соответст­ венно ускорение вибрации с 4gдо 6g.

С уменьшением дисперсности частиц грубодисперсной твер­ дой фазы толщина слоя оболочки мккрагрзку-Т уменьшается нг

как правило, не превышает 1—2 слоев связующего (см. табл. VI.3). В результате этого при вибрации интенсивностью 0,02— 0,07 м2/с 3 в дисперсной системе резко возрастает число разде­ ленных прослойкой жидкой среды коагуляционных контактовмежду частицами грубодисперсной твердой фазы, вследствие чего снижается эффективная вязкость системы и формирование- «макроконтакта», представленного на рис. VI. 13, в, облегчается.

Как видно из рис. VI. 14, в условиях сдвигового деформиро­

интервале Де возникает разрыв сплошности ц структуре. При наложении на дисперсную систему вибрационного поля с час­ тотами колебаний 15, 20, 25, 30 и 50 Гц во всем изучаемом

диапазоне е от 0,05 до 25,3 с-1 эффективная вязкость монотон­ но падает, и разрывов сплошности не наблюдается. В данном случае вибрация «залечивает» разрывы сплоЩности. Этот вы­ вод согласуется с ранее опубликованными данными [15].

Таким образом, трехфазные дисперсные системы типа Т—Ж—Г с высоковязкой жидкой средой в условиях сдвиговогодеформирования при вибрации с различными параметрами ве­ дут себя неоднозначно. При малой интенсивности вибрации в таких системах образуются структуры с непосредственными контактами, реализующимися в процессе взаимодействия гра­ нул в динамических условиях, и такие систему ведут себя по­

23$

добно грубодисперсным порошкам. По мере повышения интен­ сивности вибрации и амплитуды колебаний происходит посте­ пенное замещение непосредственных контактов между частицами грубодисперсной твердой фазы на коагуляционные в результате вытекания жидкой среды через слой высокодисперсных частиц связующего с образованием затем капиллярных менисков. При этом обнаруживается переход дисперсной системы из состояния виброуплотнения в состояние псевдоожижения Такое поведение трехфазной дисперсной системы типа Т—-Ж—-Г с высоковязкой жидкой средой объясняется тем, что вследствие малой скорости двухмерной миграции жидкой среды образование коагуляцион­ ных контактов в начале процесса структурообразования в ус­ ловиях сдвигового деформирования при воздействии вибрации затруднено

Из рассмотрения особенности структурообразования трех­ фазных систем с высоковязкой жидкой средой следует, что глав­ ное условие регулирования этого процесса состоит в устранении явления разрыва сплошности путем воздействия вибрации с интенсивностью, достаточной для формирования во всем объеме

получения многокомпонентного высокодисперсного связующего в системах Т—Г, так и на стадии получения многокомпонентных систем Т—-Ж—Г. Критерием его реализации является мини­ мальная эффективная вязкость системы.

VI.3.3. Трехфазные системы с маловязкой жидкой средой

Реологическое поведение трехфазной дисперсной системы Т—Ж—Г с маловязкой жидкой средой в сдвиговом потоке в отсутствие вибрации аналогично поведению систем с высоковяз­ кой жидкой средой. На рис. VI. 15 представлена диаграмма разрушения и тиксотропного восстановления трехфазной дис­ персной системы II с маловязкой жидкой средой [состав: зер­ на карбида кремния, керамическое связующее марки КЮ (15—

максимального значения г]Макс, соответствующего предельному Напряжению сдвига, последующим спадом г)Эфф после достиже­ ния максимума с появлением локальных разрывов сплошности и установлением равновесного уровня эффективной вязкости, значительно меньшего, чем равновесный уровень вязкости для Системы I. Как и в дисперсной системе Т—Ж—Г с высоковяз­ кой средой, в системе II в отсутствие вибрации не происходит предельного разрушения структуры во всем ее объеме; обра-

234

ная вязкость системы резко возрастает за £<1с до максималь­ ного значения г]Маьс в результате увеличения числа связей меж­ ду частицами твердой фазы как следствие уплотнения структу­ ры и устранения разрывов сплошности. Последующее снижение эффективной вязкости в результате объемного разрушения структуры продолжается до установления равновесного уровня. При этом уменьшение эффективной вязкости по мере разруше­ ния структуры при вибрации превалирует над ее ростом вслед­ ствие уплотнения [15]. Это явление обнаруживается и в трех­ фазных дисперсных системах с высоковязкой жидкой средой, однако лишь при определенных параметрах вибрации.

Характерно, что установившиеся уровни эффективной вязко­ сти дисперсной системы II, как правило, для всех исследуемых режимов вибрации ниже соответствующих уровней эффективной вязкости дисперсной системы I. После прекращения действия

Рис VI 16 Микрофотография структуры высоконаполненной дисперсной си­ стемы II при сдвиговом деформировании без вибрации

Увеличение 500

235

Таблица VI.6. Эффективная вязкость дисперсной системы U при различных значениях ускорения вибрации

вибрации трехфазные дисперсные системы с маловязкой жидкой средой проявляют так же, как и трехфазные системы с высо­ ковязкой жидкой средой, признаки тиксотропного восстановле­ ния структуры в сдвиговом потоке.

Таким образом, структура трехфазных дисперсных систем с маловязкой жидкой средой в условиях сдвигового деформиро­ вания при вибрации проходит те же состояния, что и дисперс­ ные системы с высоковязкой жидкой средой (см. разд. VI.3.2). Вместе с тем в процессе деформации дисперсных систем I и II обнаруживаются и специфические для каждой из них особен­ ности.

Для установления механизма течения трехфазной дисперс­ ной системы с маловязкой жидкой фазой в условиях сдвигового деформирования при вибрации были изучены зависимости эф­ фективной вязкости от параметров вибрации (амплитуды, час­

тоты, ускорения и интенсивности) при е = 7,07 с-1.

Как видно из данных табл. VI.6, с увеличением ускорения вибрации эффективная вязкость дисперсной системы сначала возрастает, затем после достижения максимального значения снижается, и минимальное ее значение соответствует наиболь­ шему ускорению вибрации. Для каждого значения частоты ко­ лебаний имеется критическое значение ускорения вибрации, со­ ответствующее максимальному значению эффективной вязкости и определяющее границу перехода дисперсной системы из одно­ го динамического состояния в другое.

Оказалось, что большей частоте вибрационных колебаний соответствует и большее значение критического ускорения виб­ рации. Объяснить этот факт возрастанием плотности системы за счет увеличения частоты колебаний нельзя ввиду отсутствия явной функциональной зависимости между этими величинами (рис. VI. 17). Отсюда следует, что трехфазные дисперсные си­ стемы с маловязкой жидкой средой в отличие от аналогичных систем с высоковязкой средой не ведут себя при вибрации по­ добно грубодисперсным порошкам. Это подтверждается и ре­

236

ее поведение при вибрации определяется амплитудой колеба­ ний. Как видно из рис. VI. 19, с увеличением амплитуды колеба­ ний эффективная вязкость дисперсной системы вначале резко возрастает, достигая максимума при одном и том же значении амплитуды колебаний (для системы II аж 2—2,5 мм) при час­ тоте колебаний 15—30 Гц. При последующем увеличении ам­ плитуды эффективная вязкость системы снижается, достигая минимального значения при аж 3—3,5 мм. Дальнейшее увели­ чение амплитуды приводит к росту эффективной вязкости.

Такое поведение трехфазной дисперсной системы с маловяз­ кой жидкой средой при вибрации объясняется изменениями ее динамического состояния. При малых значениях амплитуды колебаний (а^2 —2,5 мм) система уплотняется. Этим и объяс­ няется рост т]Эфф. При последующем повышении амплитуды вибрационных колебаний система переходит в состояние псев­ доожижения, сопровождающееся прекращением роста плотно­ сти и снижением эффективной вязкости. При этом, как было* показано в разд. VI.2.2, происходит сближение частиц грубо­ дисперсной твердой фазы за счет выдавливания из зоны кон­ такта высокодисперсного связующего. При амплитуде колеба­ ний более 3—3,5 мм частицы грубодисперсной твердой фазы сближаются настолько, что между ними образуются капилляр­ ные мениски, являющиеся причиной роста г|Эфф дисперсной си­ стемы.

Подводя итоги рассмотрения особенностей поведения трех­ фазных дисперсных систем в условиях сочетания сдвигового деформирования и действия вибрации, следует отметить исклю­ чительную чувствительность их основных реологических свойств (эффективной вязкости и напряжения сдвига) от интенсивности внешних механических воздействий. Выбор параметров этих воздействий, в частности частоты и амплитуды вибрации, с целью регулирования структурообразования при получении трехфазных систем методами смешения должен определяться условиями устранения разрывов сплошности, достижения наи­ меньшей эффективной вязкости и создания в структуре «макро­ контактов» между частицами грубодисперсной твердой фазы. Эти «макроконтакты» характеризуются равномерной по толщи­ не прослойкой связующего, в которой сформирована структура из частиц высокодисперсных компонентов с полной заменой не­ посредственных точечных контактов на коагуляционные.

VI.4. ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ УПЛОТНЕНИИ

Уплотнение — завершающая технологическая стадия формиро­ вания структуры дисперсных абразивных материалов до их отверждения при обжиге керамического связующего. Поэтому степень однородности (или неоднородности) структуры, обра-

238

Рис. VI 20 Кинетические кривые изменения продольной эффективной вязко­ сти высоконаполненной дисперсной системы 1 при различных параметрах вибрации:

J —/ = 50 Гц, а = 1 мм, 2 — /=25 Гц, а—1 мм

зующейся в результате уплотнения, существенным образом ска­ зывается и на свойствах готовых обожженных материалов, в структуре которых «фиксируются» все накапливающиеся де­ фекты и неоднородности.

Ниже приведены результаты исследования реологических ■свойств абразивных материалов, полученных из абразивных смесей с высоковязкой и маловязкой жидкими средами в ре­ зультате уплотнения как путем статического прессования, так и при вибрации.

Как видно из рис. VI.20, характеризующего реологическое поведение дисперсной системы I (состав см. в разд. VI. 1) при вибрационном уплотнении, в этом процессе можно выделить два периода. Первый период соответствует резкому возрастанию продольной эффективной вязкости г|эфф, связанному с быстрым

связанные с перетеканием системы, как показано в [196, 197]. Как видно из рис. VI.21 и VI.22, характер кривых зависимостей 1§лэфф от t и р для систем I и II аналогичен. Следует обратить внимание на то, что продольная эффективная вязкость системы I в любой момент времени при уплотнении превышает соответ­ ствующее значение продольной эффективной вязкости системы II. Это объясняется большей плотностью системы I по сравне­ нию с системой II при одном и том же значении t.

239

гаемых при вибрационном уплотнении и статическом прессова­ нии при одних и тех же значениях плотности систем, показыва­ ет, что продольная эффективная вязкость обеих систем при виб­ рационном уплотнении в сотни раз меньше, чем при статиче­ ском прессовании, хотя удельные давления формования при статическом прессовании в сотни — тысячи раз выше, чем при вибрационном процессе.

Причины резкого различия в поведении дисперсных систем при вибрационном уплотнении и при статическом прессовании заключаются в различии сущности этих способов формования. Как известно, для уплотнения дисперсных систем необходимо непрерывно разрушать структурные связи между частицами и, создавая при этом необходимое давление формования, изменять объем систем до заданного уровня. При вибрационном уплот­ нении систем эти две функции разделены. Под действием виб­ рации объемная структура дисперсных систем непрерывно раз­ рушается с разрывом контактов между частицами дисперсных фаз, что дает им возможность перемещаться в объеме. В ре­ зультате этого вязкость дисперсных систем при вибрационном уплотнении существенно уменьшается (см. рис. VI.22), и для уплотнения систем до заданного уровня необходимо создать незначительное давление формования. Если давление формова­ ния чрезмерно велико, то вследствие образования резко упроч­ няющихся по мере роста плотности структур дальнейшее уплот­ нение становится невозможным. Таким образом, вибрация по­ зволяет создать оптимальное динамическое состояние системы [15] и осуществить в этих условиях процесс изменения объема при минимальном давлении формования.

При статическом прессовании разделения указанных выше функций нет. С помощью давления прессования выполняются одновременно две задачи, а именно: разрушение структуры дисперсной системы и изменение ее объема. Однако объемного" разрушения структур дисперсных систем при этом не удается

240