Лако-красочные материалы — производство

На оптические свойства дисперсных систем существенное влияние оказы­вает форма частиц. Ранее указывалось, что при рассмотрении дисперсных систем с помощью ультрамикроскопа аиизометрия частиц проявляется в их мерцаний в лучах падающего на иих света.

Совершенно иной характер принимают оптические свойства системы, если каким-либо способом заставить все подобные по форме частицы ори­ентироваться одинаковым образом. В этом случае появляется возможность определения формы частиц с помощью метода двойного лучепреломления.

Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено в кристал­лах. Оно обусловлено анизотропией структуры и, в частности, зависимостью диэлектрической проницаемости е или показателя преломления п (п= Уе) от направления в кристалле, и заключается в том, что при прохождении через кристалл световой луч раздваивается. Направление одного из лучей (обыкновенный луч) при выходе из кристалла удовлетворяет обычному зако­ну преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью; второй луч (называемый необыкновенным) проходит в кристалле под другим углом. В результате из кристалла выходят два луча, имеющих направления, параллельные первоначальному. Например, прн рассматривании точки через кристалл исландского шпата, на котором впервые было обнаружено явление двойного лучепреломления (1670 г.), наблюдается ее раздваивание. Кроме того, обыкновенный и необыкновенный лучи поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Подробное описание двойного лучепреломле­ния в кристаллах можно найти в курсе физики.

Ниже рассмотрено это явление, возникающее прн ориентации частиц в дисперсных системах. Причиной ориентации может быть действие электри­ческого, магнитного или акустического полей, а также течение дисперсных систем. В исследованиях дисперсных систем наяболее широко используется явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла). Это явле­ние наблюдается также в жидкостях и растворах* содержащих анизометри­ческие или способные деформироваться молекулы.

Если система находится в покое, то она, как правило, изотропна, по­скольку частицы в ней расположены хаотически. Дезориентацию частиц иызывает броуновское движение: частицы движутся не только поступатель­но, но и непрерывно меняют направление полуосей (вращательная диффу­зия). Прн течении системы частица движется поступательно со скоростью движения слоя жидкости, в котором она находится и, кроме того, враща­ется вокруг своего центра тяжести — вследствие того, что она расположена в слоях жидкости, обладающих разлнч&Ы^и скоростями. Чем полнее гидроди­намические силы преодолевают влияние броуновского движения, тем в большей степени достигается ориентация частиц в направлении течения. Эти зависимости позволяют наблюдать явление двойного лучепреломления, соответственно устанавливать изменение степени анизотропности системы и определять форму частиц.

Двойное лучепреломление в потоке может возникать вследствие разных причин. Одной из них может быть оптическая анизотропия частиц дисперсной фазы, в этом случае частицы представляют собой маленькие кристаллики. Двойное лучепреломление может проявляться и в системах с изотропными анизометрическими частицами. В таких системах оно зависит от разности между показателями преломления растворителя и вещества дисперсной фазы. Для растворов полимеров характерно так называемое эластическое двойное лучепреломление. Оно обусловлено тем, что сферическая форма макромолекул, которую они имеют в неподвижном растворе, деформируется прн течении в вытянутые эллипсоиды вращения. Сферические клубки макро­молекул в спокойном растворе изотропны, так как их звенья расположены беспорядочно. Вытянутые конфигурации обнаруживают анизотропию, так как для них характерна частичная ориентация звеньев макромолекул в направлении растяжения.

Основными параметрами двойного лучепреломления, по которым можно определить форму частиц, являются показатель преломления обыкиовеииого и необыкновенного лучей Па и пь а также угол х между направлением колеба­ний одного из лучей и направлением течения дисперсной системы (рис. V.7) — угол гашения, который характеризует ориентацию частиц.

/у////////S/s/s////s///s/ Г-ч

■И}//»///;//"/" "’" Б

Рис. V.7. Схема определения главных направлений двойного лучепрелом­ления и угла гашения % при ла­минарном течении дисперсной си­стемы между закрепленной (а) и движущейся (б) параллельными стенками.

Па и Лр — показатель преломления обык­новенного и необыкновенного луча соот­ветственно

Рнс. V.8. Принципиальная схема прибора для определения параметров двой — ■ного лучепреломления в потоке:

1 — источник света; 2 — Конденсорная линза; 3 — поляризатор; 4 — внешний неподвижный цилиндр; 5 — внутренний подвижный цилиндр; 6 — мотор; 7 — стеклянные окошкн; 8 — Компенсатор; 9 — анализатор

Для гомогенных жидкостей величина двойного лучепреломления, выра­жаемая разностью лт—ла, обычно пропорциональна градиенту скорости течения системы, а угол % равен 45° и не зависит от градиента скорости. В дисперсных системах двойное лучепреломление может возрастать с увели­чением градиента скорости течения медленнее, или быстрее, чем •согласно линейной зависимости. Угол гашения % равен 45° при малых градиентах скоростей течения и уменьшается с увеличением скорости течения, притом тем" сильнее, чем длиннее частицы (лучше ориентируются вдоль течения).

Для количественного определения параметров двойного лучепреломле­ния применяется прибор, схема которого представлена на рис. V.8. Жидкую •систему помещают в пространство между двумя коаксиальными цилиндрами 4 и 5, один из которых (внешний) неподвижен, а другой (внутренний) вра­щается с постоянной угловой скоростью. Градиент скорости течения жидко­сти можно менять в широких пределах, изменяя скорость вращения подвиж­ного цилиндра и подбирая соответствующие радиусы обоих цилиндров.

Луч света, линейно поляризованный поляризатором 3, проходит через •слой дисперсной системы параллельно оси вращения. Длина цилиндров оп­ределяет длину пути светового потока, проходящего через движущийся в перпендикулярной плоскости слой дисперсной системы, и тем самым вели­чину эффекта двойного лучепреломления. Пройдя слой золя, луч света падает на второе линейно поляризующее приспособление—анализатор 9, Например, призму Ннколя. Анализатор должен быть установлен в таком лоложеннн, чтобы направление колебаний пропускаемых им лучей было перпендикулярно Направленню колебаний падающего поляризованного света. Если плоскости поляризации обоих поляризующих приспособлений соответ­ствуют Направленням лт н ла, то свет не проходит через анализатор. Таким •образом, угол гашения % измеряют путем взаимного вращения обоих скре­щенных поляризующих устройств до положения, при котором освещенность поля зрения минимальна. При неподвижном состоянии дисперсной системы,
находящейся между цилиндрами, поле зрения кажется темным. Двойное лучепреломление, возникающее при вращении внутреннего цилиндра, наблю­дают по просветлению поля зрения, которое тем сильнее, чем больше гради­ент скорости и чем длиннее частицы.

Для измерения величины двойного лучепреломления (лт—па) плоскости поляризации обоих поляризующих приспособлений устанавливают под уг­лом 45° к направлениям колебаний лт и ла. В этом случае два поляризован­ных световых луча, выходящие из золя, имеют взаимно перпендикулярные плоскости колебаний в направлении лт и ла. В результате различных скоро­стей распространения световых потоков в золе колебания лучей не совпадают по фазе. Разность фаз измеряют, применяя подходящий компенсатор, и по этой разности и по длине пути света в слое золи I вычисляют величину двойного лучепреломления по формуле:

"V — = [Go/ <V.31>

Где К — длина волны применяемого света; р — угол поворота компенсатора.

Для оценки формы частиц получают зависимость угла гашения от ско­рости течения дисперсной системы и рассчитывают коэффициент вращатель­ной диффузии 0, характеризующий скорость, с которой ориентация частиц снова становится изотропной. Он подобен коэффициенту поступательной диффузии, его выражение для сферических частиц следует из уравнения (IV.41).

Для вытянутых частиц этот коэффициент связан с отношением длин, большой а и малой 6 их полуосей следующим уравнением

О"»

Где Rio — вязкость растворителя.

Главная полуось вытянутых частиц может быть рассчитана по уравнению (V.32), если отношение осей а/6 определено другим методом, например по измерению вязкости. Если известен объем частицы v, то можно восполь­зоваться соотношением для эллипсоида:

V=4nab2/3 (V.33)

Размеры осей получают при совместном решении уравнений (V.32) и (V.33).

Величина двойного лучепреломления зависит от концентрации дисперсной фазы, которую также можно определить этим методом, используя калибро­вочные кривые.