Media-security

ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГОВОЙ УПРУГОСТИ СМЕСЕЙ ПРИРОДНЫХ ПОЛИМЕРОВ ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГОВОЙ УПРУГОСТИ СМЕСЕЙ ПРИРОДНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Б.Б. Дамдинов, Б.Б. Эрдынеев*

Отдел физических проблем БНЦ СО РАН, *Бурятский объединенный институт природопользования БНЦ СО РАН

Изучение физических и химических смесей полимеров открыло новые области исследований и решения практических задач. Смешение полимеров во многом аналогично сополимеризации, как способу достижения заданных свойств химических структур. Разница состоит в том, что смешение позволяет достичь этой цели физическим, а не химическим путем.

Ранее [1] было показано, что различные жидкости не зависимо от вязкости и полярности обладают измеримым значением действительного модуля сдвига G’ при частоте 74 кГц. Исследования сдвиговых свойств жидкостей проводились резонансным методом [2] с использованием пьезокварцевого резонатора. Суть данного метода, вкратце, заключается в следующем. Пьезокварцевый кристалл, колеблющийся на основной резонансной частоте, контактирует своей горизонтальной поверхностью с прослойкой жидкости, накрытой твердой накладкой. Накладка с прослойкой жидкости находится на одном из концов пьезокварца. При этом прослойка жидкости испытывает деформации сдвига и в ней должны установиться стоячие сдвиговые волны. В зависимости от толщины прослойки жидкости изменяются параметры резонансной кривой пьезокварца. Теория метода дает следующее выражение для комплексного сдвига резонансной частоты колебательной системы [2]:

(1)

где - комплексный модуль сдвига жидкости, S - площадь основания накладки, ? * - комплексное волновое число, H - толщина жидкой прослойки, f₀ - резонансная частота, ? * - комплексный сдвиг фазы при отражении волны от границы жидкость-накладка.

Выражение (1) предельно упрощается для случая, когда толщина пленки жидкости много меньше длины сдвиговой волны, а накладку можно считать практически покоящейся. В этом случае расчетная формула сдвиговой упругости имеет вид:

,

(2)

где M- масса пьезокварца, ? f’ - действительный сдвиг частоты. Тангенс угла механических потерь

(3)

где мнимый сдвиг резонансной частоты ? f’’ равен, по определению, половине изменения ширины резонансной кривой. Экспериментально измеряемыми величинами были: толщина прослойки жидкости, сдвиг резонансной частоты и изменение ширины резонансной кривой пьезокварца. По найденным величинам, по формулам (2) и (3), вычислялись основные вязкоупругие свойства жидкостей динамический модуль сдвига G' и тангенс угла механических потерь tg? , равный отношению мнимого модуля G'' к действительному G'. G'' является мерой той части энергии упругих колебаний, которая превращается в тепло, т.е. G'' характеризует диссипацию энергии колебаний в вязкоупругом теле.

В данной работе были исследованы сдвиговые свойства смесей природных полимеров резонансным методом. В качестве объектов исследования были выбраны природные полимеры: коллаген и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). В первую очередь были найдены значения G’ и tg? для исходных компонентов смеси (2% растворов коллагена и КМЦ в воде). Затем исходные компоненты смешивались в различных соотношениях и определялись те же параметры. В таблице представлены результаты исследования смесей коллагена с КМЦ в зависимости от соотношения в бинарной смеси.

Таблица

Состав смеси Коллагена и КМЦ	t,^ос	G’? 10^-6, дин/см²	tg?
0:1 1:10 1:6 1:5 1:4 1:3 1:2 1:1 2:1 3:1 1:0	19.1 20.0 18.8 17.8 18.3 18.2 19.0 19.5 19.1 20.0 17.5	0.803 0.344 0.248 0.229 0.227 0.232 0.266 0.334 0.442 0.515 0.645	0.139 0.243 0.357 0.398 0.456 0.430 0.293 0.241 0.238 0.230 0.180

Как видно из таблицы значения действительного модуля низкочастотной сдвиговой упругости равны 0.803? 10⁶дин/см² и 0.645? 10⁶дин/см²для КМЦ и коллагена, соответственно. При смешивание этих двух компонентов с различными соотношениями мы видим, что значения модуля упругости проходят через минимум при составе смеси 1:4 частей коллагена к КМЦ, а значения тангенса угла механических потерь проходят через максимум при этом же составе смеси. Если предположить, что поведение смеси описывается с помощью простых моделей, состоящих из двух компонентов с различными модулями упругости, например модель Такаянаги [3], то для такой модели справедливо следующее соотношение:

(4)

где G₁ и G₂ - модули упругости компонентов, ф₁ и ф₂ - объемные доли компонентов в смеси, ? - постоянный параметр, выбранный нами равным 0.857. Из формулы (4) видно, что для такой модели модуль упругости смеси будет равномерно уменьшаться от G₁ до G₂. Видно, что экспериментальные результаты расходятся с значениями модуля упругости, вычисленного по модели. В модели предполагается, что смесь является чисто физическим соединением компонентов. Поэтому можно предположить, что в данной смеси при определенном соотношении, а именно 1:4 коллагена к КМЦ, происходят химические взаимодействия. Выбор КМЦ был обусловлен тем, что в соединительных тканях коллаген связан с полисахаридами, образовывая белково-углеводные комплексы.

Проведенные исследования показали, что для описания зависимости модуля упругости от состава смеси недостаточно применения чисто механических моделей. Для полного выяснения сдвиговых свойств смесей полимеров необходимо исследование в зависимости от частоты и температуры.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 98-01-00503).

Литература

У.Б. Базарон, Б.В. Дерягин, А.В. Булгадаев, ДАН СССР, 166, 639, (1966).

У.Б. Базарон, Б.В. Дерягин, А.В. Булгадаев, ЖЭТФ, 51, 969, (1966).

Полимерные смеси, под ред. Д. Пола и С. Ньюмена, М.: Мир, 400, (1981).