Исследование низкочастотной сдвиговой упругости полиметилсилоксановой жидкости

Полисилоксаны имеют широкий диапазон рабочих температур, их применяют как гидравлические и диффузионные жидкости, в качестве теплоносителей и жидких диэлектриков [1]. Они могут применяться в качестве приборных масел, смазок, полирующих средств; добавок к лакам и краскам; а также в качестве базовой жидкости для суспензий [2–6]. Поэтому изучение вязкоупругих свойств таких жидкостей имеет большую актуальность.

В работе проведено экспериментальное определение комплексного модуля сдвига полиметилсилоксановой жидкости акустическим резонансным методом.

Полиметилсилоксаны представляют собой полимер линейной структуры (CH 3 ) 3 Si–O–[Si(CH 3 ) 2 O] n –Si(CH 3 ) 3 , где n = 0 — 2000. Эти полимеры обладают малыми значениями сил межмолекулярного взаимодействия, что проявляются в механических свойствах силоксановых эластомеров и полимерных пленок, особенно в их невысокой прочности на разрыв. Из-за особенностей строения поли-метилсилоксаны имеют отличные низкотемпературные свойства.

Метод

Исследование вязкоупругих свойств полиметилсилоксановой жидкости ПМС-5 проведено акустическим резонансным методом, основанным на изучении влияния сил добавочной связи, осуществляемой прослойкой жидкости, на резонансные характеристики колебательной системы. Жидкость помещается на один конец пьезокварца, совершающего тангенциальные колебания, и накрывается покоящейся твердой накладкой. В теории метода [7-9] показано, что сдвиг резонансной частоты пьезокварца должен быть пропорционален обратной величине толщины прослойки жидкости Н при условии, что Н намного меньше длины сдвиговой волны λ (H<<λ), установившейся в жидкости. Тогда комплексный модуль сдвига будет определяться следующей формулой: (,-  4п2MfoAf*H ,

где G* = G ' + iG '' — комплексный модуль сдвига жидкости, S — площадь основания накладки, H — толщина жидкой прослойки, M — масса пьезокварца, f o — его резонансная частота, A f * = A f ‘ + i A f" — комплексный сдвиг резонансной частоты пьезокварца. Тангенс угла механических потерь выражается так:

tg θ = G ″ /G ′ = Δ f ″ / Δ f ′ . (2)

Таким образом, измерив действительный и мнимый сдвиги резонансной частоты, можно определить вязкоупругие характеристики жидкости. В работе использован пьезокварц Х-18.5° среза с основной резонансной частотой 73,2 кГц, массой 6,82 г; площадь основания накладки 0,2 см2. Для улучшения смачиваемости жидкостью поверхности пьезокварца и накладки подвергались комплексной очистке [8].

Экспериментальные результаты и обсуждение

В работах [9-12] было проведено исследование нелинейных свойств сдвиговой упругости разных жидкостей на основе анализа изменений резонансных кривых колебательной системы пьезокварц — прослойка жидкости — накладка по мере увеличения амплитуды колебания пьезокварца. При увеличении амплитуды колебания пьезокварца резонансные кривые колебательной системы деформируются. Определение амплитуды колебания пьезокварца А проведено методом, основанным на принципе интерферометра Фабри-Перо, где в качестве одного из зеркал используется оптически полированная торцевая сторона пьезокварца [9]. Отношение А / Н может служить мерой угловой деформации.

В данной работе использован этот же метод определения амплитуды колебания пьезокварца. На рис. 1 показаны приведенные резонансные кривые для свободного пьезокварца (кривая 1) и с прослойкой жидкости ПМС-5 толщиной Н = 2,53 мкм (кривая 2) с максимальной амплитудой колебаний 10Å . Из рис. 1 видно, что резонансная частота нагруженного кварца больше, чем свободного, и происходит уширение резонансной кривой. Обе кривые почти симметричны.

Рис. 1. Резонансные кривые свободного (1) пьезокварца и нагруженного (2) жидкостью ПМС-5 ( Н = 2.53 мкм)

С увеличением амплитуды колебания пьезокварца до 85 Å резонансная кривая деформируется и становится асимметричной (рис. 2), что свидетельствует о проявлении нелинейных свойств сдвиговой упругости. Поэтому изменение комплексного модуля сдвига жидкости ПМС-5 в данной работе проводилось при малых амплитудах деформации.

Рис. 2. Резонансные кривые при различных величинах вынуждающей силы с максимальной амплитудой колебания: 1 — 10 Å; 2 — 85 Å

Экспериментальные зависимости сдвигов резонансной частоты от обратной величины толщины прослойки оказались линейными (рис. 3), что подтверждает наличие измеримого модуля сдвига. В Таблице 1 приведены рассчитанные значения модуля сдвига и тангенса угла механических потерь полимерной жидкости ПМС-5 по формулам (1) и (2).

Рис. 3. Экспериментальные зависимости действительного И / ¹ (1)

и мнимого И' / ¹ (2) сдвига резонансной частоты от обратной величины толщины

прослойки жидкости 1/ Н

Механизм вязкоупругой релаксации в ПМС-5 можно описать реологической моделью Максвелла. Согласно модели эффективная вязкость жидкости определяется следующей формулой:

_ G '(1 + tg² 0 ) 2 п f o tg 9

В таблице приведены значения коэффициента вязкости п полиметилсилоксановой жидкости ПМС-5 и эффективной вязкости η M , проявляющейся при эксперименте, которая рассчитана по модели Максвелла. Как видно из таблицы, она существенно превышает значение известной в литературе табличной вязкости η.

Таблица 1

Экспериментальные результаты исследования вязкоупругих параметров полиметилсилоксановой жидкости

Жидкость	t, ° C	G М0-4 , Па	tg θ	П , мПа - с	П м , Па - с	f рел, кГц
ПМС-5	23	1,35	0,13	4,6	0,23	9,5

Необходимо учитывать, что простая механическая модель Максвелла с одним временем релаксации лишь приближенно описывает вязкоупругое поведение реальных жидкостей. Тем не менее, можно оценить время релаксации, рассматривая ее как величину, обратную частоте релаксации, которой соответствует максимум механических потерь. В рамках модели характерная частота релаксационного процесса определяется по формуле f рел = f о tgθ, и для исследуемой жидкости равна 9,5 кГц. Это означает, что в жидкости ПМС-5 наблюдается низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс с аномально большими значениями периода релаксации и эффективной вязкости.

Таким образом, проведенное исследование подтверждает, что наряду с высокочастотным релаксационным процессом (1010 Гц), которая объясняется характером диффузионной подвижности отдельных частиц в жидкостях, имеет место низкочастотная вязкоупругая релаксация, впервые обнаруженная в работах [13, 14]. В настоящее время развивается кластерная модель жидкости, согласно которой низкочастотная вязкоупругая релаксация жидкостей обусловлена коллективным взаимодействием больших групп молекул [15-17]. Согласно этой модели в жидкостях и аморфных веществах имеются флуктуационные динамические структурные микронеоднородности — кластеры, которые с течением времени образуются и распадаются. Для определения значений основных параметров кластерной модели необходимо исследование низкочастотной сдвиговой упругости жидкостей в широком интервале температур и частот.

Заключение

Проведенное в работе исследование вязкоупругих свойств полиметилсилоксановой жидкости акустическим резонансным методом при малых амплитудах сдвиговых колебаний с частотой 73 кГц показало, что ПМС-5 обладает измеримым модулем сдвига и имеет повышенное значение эффективной вязкости. Время релаксации наблюдаемого вязкоупругого релаксационного процесса намного превышает время оседлой жизни отдельных частиц жидкости.

Полученные экспериментальные данные о вязкоупругих свойствах полиметилсилоксановой жидкости имеют большое практическое значение, обусловленное широким применением полисилоксанов в различных областях современной техники.