Исследование вязкоупругих свойств полиэтилсилоксановой жидкости в зависимости от температуры

Рис . 1. Пьезокварц с добавочной связью: 1 - пьезокварц;

2 - прослойка жидкости; 3 - твердая накладка

В работах [1-4] акустическим резонансным методом впервые было обнаружено наличие низкочастотной (10⁵ Гц) сдвиговой упругости жидкостей. Данный факт показывает, что в жидкостях наряду с высокочастотным существует неизвестный ранее низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс, обусловленный, по-видимому, коллективными взаимодействиями больших групп молекул (кластеров). Исследования показали, что тангенс угла механических потерь tg θ меньше единицы. Следовательно, частота релаксации данного процесса ниже частоты эксперимента, которая составляла ~74 кГц.

Суть акустического резонансного метода заключается в следующем. Грань пьезорезонатора, колеблющаяся на основной резонансной частоте в собственной плоскости, соприкасается на одном конце с прослойкой исследуемой жидкости, накрытой кварцевой накладкой (рис. 1). При тангенциальных смещениях грани пьезокварца прослойка жидкости будет испытывать деформации сдвига, и в ней должны установиться стоячие сдвиговые волны. Накладка при этом будет практически покоиться. В зависимости от толщины прослойки жидкости изменяются параметры резонансной кривой пьезокварца: собственная резонансная частота и ширина резонансной кривой. Если прослойка жидкости обладает сдвиговой упругостью, то резонансная частота будет возрастать по сравнению с частотой свободного пьезокварца. В случае, если бы в прослойке действовали только диссипативные вязкие силы, резонансная частота должна уменьшаться. Метод отличается высокой чувствительностью и применим в широком диапазоне измеряемых вязкостей. В эксперименте применялся пьезокварцевый кристалл Х-18,5 ° среза размерами 34,9х12х6 мм3, массой 6,82 г и резонансной частотой 73,2 кГц, у которого на грани, перпендикулярной оптической оси, коэффициент Пуассона равен нулю. Это необходимо для выполнения важного требования - отсутствия нормальной компоненты колебаний на рабочей грани пьезокварца.

Для выяснения характера низкочастотного вязкоупругого релаксационного процесса необходимо проведение экспериментов в широком диапазоне частот, где можно ожидать прохождения через частоту релаксации. Основным недостатком рассмотренного выше аку- стического резонансного метода с применением пьезокварцевого резонатора является то, что он работает на строго фиксированной частоте и варьирование частотой невозможно. Однако есть и другой способ - исследование на одной частоте, но в широком диапазоне температур. Можно предположить, что с увеличением температуры в жидкости разрываются межмоле- кулярные и межкластерные связи, что ведет к изменению вязкоупругих характеристик жидкости, а следовательно, и частоты релаксации. Таким образом, в эксперименте, изменяя температуру в широком диапазоне, мы можем приблизиться к частоте релаксации и даже прой- ти через нее.

Теория акустического резонансного метода [5] для расчета действительного О’ и мнимого G " модулей сдвига дает следующие расчетные формулы:

4 п ² Mf o ^ fH.          4 п ² MfAfH

G = ---------- ; G = -----------

SS где М - масса пьезорезонатора; fo - резонансная частота; Af - действительный сдвиг резо нансной частоты; Af" - изменение полуширины резонансной кривой пьезорезонатора (мнимый сдвиг резонансной частоты); S = 0,2 см2 - площадь основания накладки.

Для тангенса угла механических потерь будем иметь выражение:

G" Af" G Af' ’

Из этих формул видно, что при наличии комплексного модуля сдвига у исследуемой жидкости зависимости сдвигов частот A f и A f " от обратной толщины жидкой прослойки должны быть линейными.

Одним из важнейших факторов, характеризующих качество кварцевого резонатора, является температурный коэффициент частоты, т.е. изменение его резонансной частоты в функции температуры. Численно этот коэффициент показывает величину относительного отклонения частоты кварцевого резонатора при его нагреве или охлаждении на 1 ° С . Величина температурного коэффициента частоты зависит, в частности, от угла среза пьезокристалла. В связи с этим нами исследована зависимость резонансной частоты пьезорезонатора Х-18,5 ° среза в зависимости от температуры в диапазоне от 20 до 90 ° С.

На рисунке 2 показана зависимость резонансной частоты пьезорезонатора от темпера- туры. Видно, что в данном диапазоне температур резонансная частота пьезорезонатора

Рис. 2. Температурная зависимость резонансной частоты/о свободного пьезокварца

уменьшается линейно. Эти данные использованы при определении комплексного сдвига резонансной частоты.

Для исследования были выбраны полиэтилсилоксановые (ПЭС) жидкости. Эти жидкости представляют собой либо смесь полимеров линейной (C 2 H 5 ) 3 Si-O-[Si(C 2 H 5 ) 2 O] n -Si(C 2 H 5 ) 3 и циклической [(C 2 H 5 ) 2 SiО] n структур, либо полимеры линейной структуры.

Полиэтилсилоксановые жидкости находят широкое применение в современной технике в качестве консистентных смазок, приборных масел, полирующих средств.

В работе [6] были показаны зависимости действительного модуля сдвига V' от обратной толщины жидкой прослойки ПЭС жидкостей при комнатной температуре. Линейность зависимостей сдвигов частот от обратной толщины жидкой про- слойки свидетельствует о наличии у этих жидкостей объемного модуля сдвига, т.е. не зависящего от толщины прослойки жидкости. Возможно, более тонкие слои этих жидкостей могли бы обнаружить наличие особой гранич- ной упругости. Однако в наших экспериментах существование такой упругости не ощущается. По-видимому, толщины граничных слоев много меньше толщины прослойки жидкости в эксперименте. В работах [7, 8] были измерены динамические модули сдвига полимерных жидкостей по распространению сдвиговых волн. Полученные результаты показали, что низкочастотная сдвиговая упругость является свойством жидкости в объеме. Для проведения эксперимента система «пьезокварц – прослойка жидкости – накладка» помещалась в термо-

Рис.З. Температурная зависимость действительного модуля сдвига для ПЭС-1 при толщине жидкой прослойки /7=4,45 мкм

Рис.4. Температурная зависимость тангенса угла механических потерь для ПЭС-1 при толщине жидкой прослойки Н= 4,45 мкм

стат. После получения равномерной по толщине жидкой прослойки измерялся комплексный сдвиг резонансной частоты по мере изменения температуры. Температура в термостате измерялась с точностью 0,1 ° С. На рисунке 3 показана зависимость действительного модуля сдвига G' от температуры для полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-1. Значения G' при разных температурах рассчитаны по формуле (1). Из рисунка видно, что с увеличением температуры G' растет. А значения тангенса угла механических потерь tgθ , рассчитанные по формуле (2), уменьшаются (рис. 4). Данный факт свидетельствует о том, что при увеличении температуры мы отдаляемся от частоты релаксации. В дальнейшем, чтобы приблизиться к частоте релаксации, необходимо проведение экспериментов при более низких температурах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 12-02-31813 мол_а, № 12-02-98012-р_сибирь_а, № 12-02-98003-р_сибирь_а.