CC BY
40
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ МЕТОДОМ РОТАЦИОННОЙ ВИСКОЗИМЕТРИИ
Т.Н. БАХАЕВА, Я.Д. ЗОЛОТОНОСОВ, А.Я. ЗОЛОТОНОСОВ
Казанский государственный энергетический университет
Методом ротационной вискозиметрии исследована реология водных растворов карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) концентраций 4, 8, 11, 15 и 25% масс. при температурах 293, 313, 333 и 353 К. Построены кривые течения и определены значения реологических констант — индекса течения «n» и показателя консистенции «k». Показано, что водные растворы КМЦ относятся к псевдопастичным системам и описываются реологическим законом Освальда-де-Вилла.
Исследование закономерностей механического и теплофизического поведения неньютоновских жидкостей с нелинейной зависимостью между напряжением и скоростью сдвига привлекает все большее внимание исследователей в различных отраслях науки и техники. В литературе накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал [1-3], посвященный вопросам течения и теплообмена аномально-вязких сред, в том числе и водных растворов КМЦ.
В настоящее время растворы КМЦ в воде широко используются в пищевой, фармацевтической, химической и нефтяной промышленностях, а также в сельском хозяйстве [4] как стабилизирующие, загущающие, клеящие, пленкообразующие вещества.
КМЦ в качестве химического реагента используется для приготовления буровых растворов, в больших масштабах КМЦ применяется в производстве моющих средств. Кроме того, ее используют в качестве ионообменника, для специальных сортов бумаг и пленок [5].
В промышленности КМЦ получают при взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. По внешнему виду КМЦ -порошкообразный или волокнистый материал [6].
Несмотря на широкое применение КМЦ в промышленности, данные по ее реологии весьма противоречивы и охватывают узкий диапазон температур, напряжений и скоростей сдвига.
Так как в промышленности приходится перерабатывать концентрированные растворы КМЦ при различных температурах и в широком диапазоне напряжений и скоростей сдвига, представляет научный и практический интерес исследование реологических характеристик таких растворов.
Реологические характеристики исходных растворов КМЦ замеряли при помощи современного ротационного реометра RHEOLAB MC1,
3 —1
обеспечивающего диапазон скоростей сдвига 0,9...4 • 10 с , напряжений сдвига
до 3,4 • 10 Па в температурном интервале - 254.453 К.
Для проведения эксперимента на электронных весах (с погрешностью измерения ±0,02 г) брали навески КМЦ, готовили водные растворы КМЦ с
© Т.Н. Бахаева, Я.Д. Золотоносов, А. Я. Золотоносов Проблемы энергетики, 2006, № 7-8
концентрациями 4, 8, 11, 15 и 25% масс. и выдерживали при 15 минутном перемешивании в термостате. Подготовленные растворы заливали до обозначенной метки в стакан реометра. Измерения реологических характеристик проводились при температуре 293, 313, 333 и 353 К в диапазоне круговых частот
6...6 • 104 с_1 и напряжений сдвига до 570 Па. Результаты измерений снимались с показаний жидкокристаллического дисплея вискозиметра и далее строились кривые течения (см. рисунок).
«)
Рис. Кривые течения водных растворов КМЦ при различных температурах, °К: а - 293; 6 - 313; в -333; г-353; ^ - 4% масс.; ■ _ - 8% масс.; ~ V- - 11 % масс.; + - 15% масс.; -X-1-25%масс.
Получив значения напряжения сдвига, скорости сдвига и эффективной вязкости, были рассчитаны [2, 3] значения индекса течения «п» и фиктивного
показателя консистенции «к ». Истинную характеристику консистенции «к»
\п
определяли по зависимости к = к
4п
3п +1
[7]. В таблице приведены значения
реологических констант исследуемых систем.
Таблица
Значение реологических констант водных растворов КМЦ при различной температуре
Концентрация КМЦ, % масс. п к, Па с Т, К
0,466 0,442 293
4 0,510 0,263 313
0,554 0,177 333
0,601 0,119 353
0,344 3,244 293
8 0,364 2,829 313
0,384 2,379 333
0,404 1,423 353
0,335 8,316 293
11 0,354 5,374 313
0,374 5,291 333
0,394 5,009 353
0,325 38,367 293
15 0,344 26,971 313
0,364 17,118 333
0,384 4,854 353
0,213 96,352 293
25 0,231 46,719 313
0,268 40,81 333
0,287 27,226 353
Из рисунков и данных таблицы видно, что индекс течения «n» для всех образцов меньше единицы, характер течения исследуемых сред, которое подчиняется закону поведения псевдопластичных систем, удовлетворительно описывается степенным законом Освальда-де-Вилла в консистентных переменных;
т = k&и [7].
Summary
By the method of rotary viscosimetry there is investigated the rheology of carboxymethylcellulose aqueous solutions of 4, 8, 11, 15 and 25% concentration with mass temperature 293, 313, 333 and 353 К. There are built the current curves and determined the values of rheological constants, current «n» and consistence «k» indexes. There is shown that carboxymethylcellulose aqueous solutions refer to apparent viscosity systems and described by the rheological law of Osvald de Vill.
Литература
1. Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 376 с.
2. Вершинина И.П. Системный анализ и математическое моделирование процесса развития течения аномально-вязкой жидкости во вращающейся вокруг своей оси трубе: Автореф. дис канд. техн. наук.- Волгоград, 2004. - 19 с.
3. Голованова И.П., Золотоносов Я.Д. Методика исследования течения аномально-вязкой жидкости во вращающейся трубе// Интенсификация тепло- и электроэнергетических процессов: Межвуз. сб. научн. тр. Казанского филиала МЭИ. - Казань. - 1995. - С. 47-51.
4. Хафизов М.М. Разработка интерполимерных комплексов и композиционных материалов на основе карбоксиметилцеллюлозы и технология их получения: Дис. ... док. техн. наук.- Ташкент, 2005. - 342 с.
5. Васильева Г.Г. Свойства щелочнорастворимой карбоксиметилцеллюлозы и возможности ее использования в бумажной промышленности: Автореф. ... канд. техн. наук.- Л., 1962. - 13 с.
6. Орлова О.В., Фомичева Т.Н. Технология лаков и красов. - М.: Химия, 1990. - 384 с.
7. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. - М.: Мир, 1964. - 216 с.
Поступила 12.07.2006
