Лако-красочные материалы — производство

Под структурой тел обычно понимают пространственное вза­имное расположение составных ч-астей тела: атомов, молекул, мелких частиц. Структура разбавленных агрегативно устойчи­вых дисперсных систем по ряду свойств очень похожа на Струк­туру истинных растворов. Основное отличие состоит в том, что в дисперсных (гетерогенных) системах частицы дисперсной фазы и молекулы дисперсионной среды сильно различаются по размерам. Увеличение концентрации дисперсной фазы при­водит к взаимодействию ее частиц, подобному ассоциации молекул и нонов в истинных растворах. Изменение свойств дисперсных систем с ростом концентрации происходит посте­пенно до тех пор, пока не наступит коагуляция частиц. В кол­лоидной химии понятия структуры и структурообразования принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуля­ции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает проч­ность системы.

Таким образом, структурообразование в свободнодисперс — ных системах есть результат потери их агрегативной устойчи­вости. По мере увеличения прочности структуры свободнодис- персная система переходит в связиодисперсную систему. По­явление и характер образующихся структур, как правило, определяют по механическим свойствам систем, к важнейшим из которых относятся вязкость, упругость, пластичность, проч­ность. Так как этн свойства непосредственно связаны со струк­турой тел, то их обычно называют структурно-механическими.

Структурно-механические свойства систем исследуют мето­дами реологии — науки о деформациях и течении материаль­ных систем. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних — напряжений. В коллоидной химии методы реологии используют для иссле­дования структуры и описания вязкотекучих свойств дисперс­ных систем.

Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформа­цию делят на упругую и остаточную. При упругой деформации структура тела полностью восстанавливается после снятия на­грузки (напряжения); остаточная деформация необратима, из­менения в системе остаются и после снятия нагрузки. Оста­точная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.

Среди упругих деформаций различают объемные (растяже­ние, сжатие), сдвиговые и деформации кручения. Они характе­ризуются количественно относительными (безразмерными) ве­личинами. Например, при одномерном деформировании растя­жение выражается через относительное удлинение:

Y=A///O= </ — /„)//„ (VII.1)

Где 10 и I,— длина тела до и после растяжения соответственно; Д/—абсолют­ное удлинение.

Деформация сдвига определяется относительным сдвигом (рис. VII. 1) под действием напряжения Р:

F=t//*=tga или 1=dy/dx (VII.2)

Где у — смещение верхнего слоя; х — высота, на протяжении которой про­исходит смещение.

Как следует из рис. VII. 1, относительный сдвиг равен тан­генсу угла сдвига а.

Жидкости и газы деформируются при наложении мини­мальных нагрузок. Под действием разности давлений они те­кут. Течение является одним из видов деформации, при кото­ром величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов жидкости при течении не сжимаются и их плотность ос­тается практически постоянной.

Напряжение, вызывающее деформацию тела, определяется отношением силы к площади, їїа которую она действует. Дей­ствующая сила может быть разложена на две составляющие: нормальную, направленную перпендикулярно к поверхности тела, и тангенциальную (касательную), направленную по ка­сательной к этой поверхности. Соответственно различают два вида напряжений: нормальные и тангенциальные, которым отвечают два основных вида деформации: растяжение (или сжатие) и сдвиг. Остальные виды деформации ^ожно пред­ставить с помощью различных комбинаций этих основных ви­дов деформаций. Единицами напряжения являются в СИ Па (паскаль), в системе СГС — дин/см2.

Соответствие Характера деформации виду напряжения подт­верждает первая аксиома реологии: при всестороннем равно­мерном (изотропном) сжатии все материальные системы ведут себя одинаково — как идеальные упругие тела. Это означает, что в таких разных по структуре телах, как металл, смола, вода, кислород (газ), изотропное сжатие вызывает только уп­ругую деформацию, а именно, уменьшаются размеры системы при сохранении ее формы и увеличивается плотность. При сня­тии нагрузки все параметры тела принимают первоначальные значения. Отсюда следует, что изотропное сжатие не позволя­ет выявить качественные различия в структуре тел.

Вместе с" тем любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами (Вторая аксиома реологии). Ос­новными из них, как уже упоминалось, являются упругость, пластичность, вязкость и прочность. Все эти свойства проявля­ются при сдвиговой деформации, которая поэтому считается наиболее важной в реологических исследованиях.

Рис. VII.2. Модель идеального упругого тела Гука (а) и зависимость дефор­мации этого тела от напряжения (б)

Рис. VI 1.3. Модель идеально вязкой жидкости Ньютона (а) и зависимость скорости деформации этой жидкости от напряжения (б)

Таким образом, характер и величина деформации зависят от свойств материала тела, его формы и способа приложения внешних сил.

В реологии механические свойства материалов представля­ют в виде реологических моделей, в основе которых лежат три основных идеальных закона, связывающих напряжение с де­формацией. Им соответствуют три элементарные модели (эле­мента) идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, пластичность, вяз­кость): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона (ньютоновская жидкость) и идеально пластическое тело Сен-Венана — Кулона.

Идеально упругое тело Гука представляют в виде спираль­ной пружины (рис. VI 1.2). В соответствии с законом Гука де­формация в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига

Р-

1—Р/Е или Р=Еч (VII.3)

Где Е — коэффициент пропорциональности, или модуль Юнга.

Модуль Юига Е является характеристикой материала (его структуры), количественно отражающей его упругие свойства (жесткость). Из уравнения (VII.3) следует, что единицами модуля Юнга являются паскаль (СИ) и дин/см2 (СГС), т. е. те же, что и для напряжения, так как величина у безразмерна. Модуль Юнга можно определить по тангенсу угла наклона а прямой, характеризующей зависимость деформации у от напря­жения (см. рис. VII.2, б). Модуль упругости составляет для молекулярных кристаллов ~109 Па, для ковалентных кристал­лов и металлов — 10й Па и более. После снятия нагрузки иде­ально упругое тело Гука мгновенно переходит в первоначаль­ное состояние (форму). Принято, что для упругих тел этот пе­
реход происходит со скоростью, не меньшей скорости распрост­ранения звука в них.

Идеально вязкое тело Ньютона изображают в виде поршня с отверстиями, помещенного в цилиндр с жидкостью (рис. VII.3). Идеально вязкая жидкость течет в соответствии с законом Ньютона. Согласно этому закону напряжение сдви­га при ламинарном течении жидкости с вязкостью т] пропор­ционально градиенту ее скорости Du/Dx:

P=idu/dx (VII.4)

При плоскопараллельном движении двух слоев жидкости происходит сдвиг одного слоя относительно другого. Если ско-‘ рость движения слоев жидкости обозначить через Dyjdr И учесть, что координата х и время т являются независимыми переменными, то с помощью изменения порядка дифференци­рования можно получить следующее соотношение:

Du/dx=d1y/idxdx)^d-i/dx= (VII.5)

Где — скорость деформации сдвига.

Таким образом, закон Ньютона можно сформулировать еще следующим образом: напряжение сдвига пропорционально ско­рости деформации (или скорость деформации пропорциональна напряжению сдвига)

•Р=»П (VII.6)

Реологические свойства идеальных жидкостей однозначно характеризуются вязкостью. Ее определение дается уравнениями

(VII.4) и (VII.6). График зависимости Р-*-^ представляет со­бой прямую, выходящую из начала координат, тангенс угла

Наклона этой прямой к оси ^ определяет вязкость жидкости, а к оси Р — величину, обратную вязкости, называемую теку­честью. Если вязкость характеризует сопротивление жидкости движению, то текучесть — ее подвижность. Единицы вязкости следуют из уравнения (VI 1.6). Так как в международной сис­теме единиц напряжение измеряется в Паскалях, а скорость де­формации в с-1, то единицей вязкости будет паскаль-секунда (Па-с). В системе СГС за единицу вязкости принят пуаз (П) (1Па-с=10П). Вязкость воды при 20,5°С равна 0,001 Па с или 0,01 П, т. е. 1 сантипуазу (сП). Вязкость газов примерно в 50 раз меньше, у высоковязких жидкостей значения вязкости могут достигать в тысячу и миллионы раз больше, а у твер­дых тел она может составлять 1015—1020 Па-с и более. Раз­мерность текучести обратна размерности вязкости, следователь­но, единицы вязкости обратны единицам текучести. Например, в системе СГС текучесть измеряется в пуазах в минус первой

Степени (П-1). Иногда эта единица называется и обозначается «ре».

Величина деформации жидкости зависит от времени дейст­вия напряжения. Так как

Ч=Р/Л или d^/dx=Р/ц Р

V =— т V Л

Т. е. деформация при постоянном напряжении Р пропорциональ­на времени действия этого напряжения. Идеальные жидкости способны течь (деформироваться) под действием очень малых внешних нагрузок до тех пор, пока они действуют.

Моделью идеально пластического тела Сен-Венана — Куло­на является находящееся на плоскости твердое тело, при дви­жении которого трение постоянно и не зависит от нормальной (перпендикулярной поверхности) силы (рис. VII.4). В основе этой модели лежит закон внешнего (сухого) трения, в соответ­ствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины Рт, называемой пределом текучести, т. е. при

Р <Рт Ї=0 и 1=0

Если напряжение достигнет предела текучести, то развивае­мая деформация идеально пластического тела не имеет пре­дела, и течение происходит с любой скоростью, т. е. при

/>=/>т 1 > О и 1 > О

Эта зависимость показана на рис. VII.4, б. Из нее следует, что к элементу сухого трения (идеально пластическому телу) не может быть приложено напряжение, превышающее Рг. Ве­личина Рг отражает прочность структуры тела. При условии Р — Рт структура идеального пластического тела разрушается, после чего сопротивление напряжению полностью отсутствует.

Сравнение идеальных элементов (реологических моделей) показывает, что энергия, затраченная на деформацию упругого тела Гука, возвращается при разгрузке (после прекращения действия напряжения), а при деформа — Q ции вязкого и пластического тел энер­гия превращается в теплоту. В соответ­ствии с этим тело Гука принадлежит

К КонсерватиВныМ системам, а другиЕ два^- к диссипативным (теряющим энер — г ню) ————— —————

Рис. VII.4. Модель идеально пластического тела Сеи-Венаиа — Кулона (а) н зависимость дефор­мации этого тела от напряжения (б)