Определение реологических характеристик торфа

 с помощью ротационного вискозиметра РВ–4

Из всех реологических приборов в научно-исследовательской и производственной практике самое широкое применение получили ротационные вискозиметры. Впервые прибор такого рода создал в 1889 г. Н.Ф. Шведов. За ним в 1890 году вискозиметр с вращающимся цилиндром построил Куэтт. Приборы Шведова–Куэтта с внутренним цилиндром, подвешенным на упругой нити, и с внешним цилиндром, вращающимся от электромотора или часового механизма, применяются для исследования реологических свойств разнообразных дисперсных систем и высокомолекулярных соединений.

Основоположником ротационной вискозиметрии в нашей стране следует считать М.П. Воларовича, который создал серию приборов различного назначения. Огромное разнообразие ротационных вискозиметров можно классифицировать по форме измерительных поверхностей и по разновидности непосредственно измеряемых параметров. Исходя из первого признака, ротационные вискозиметры подразделяются на приборы типа: цилиндр–цилиндр, конус–конус, конус–плоскость, диск–диск, диск–кольцо. Ротационный сферический вискозиметр для измерения вязко-пластичных параметров торфа пониженной влажности построил А.А. Багров. По принципу измерения параметров ротационные приборы можно разделить на две основные группы: приборы, у которых измеряется крутящий момент при постоянной скорости вращения одной из измерительных поверхностей, жестко связанной с приводом, и приборы, у которых одна поверхность закрепляется неподвижно, а вторая приводится во вращение от привода, с которым непосредственно соединен измеритель моментов. Для регистрации величины моментов и измерения углов поворота и скоростей вращения измерительных поверхностей используется обширный арсенал средств, основанных на механических  и электромагнитных принципах.

Ротационные вискозиметры применяют, в основном, для получения кривых течения типа = f (τ) (  – градиент скорости сдвига или скорости вращения, τ – действующее напряжение). Конструкция их должна позволять в широких пределах изменять скорость деформации исследуемого материала. Это обычно достигается в ротационных приборах за счет установки ступенчатых и бесступенчатых коробок передач между измерительной поверхностью ротационного прибора и электродвигателем. Для измерения скорости вращения используют абсолютные и относительные (механические и электрические) методы. К группе механических измерителей относятся тахометры центробежного типа, позволяющие измерять число оборотов в пределах 40-10⁴ об/мин с точностью 1-2%. Группу электрических измерителей скорости вращения составляют тахогенераторы и специальные счетчики, а также фотоэлектрические емкостные датчики.

Ротационные вискозиметры дают возможность сравнительно легко изучать вязкостные свойства материала в интервале скоростей деформации 5-8 десятичных порядков и более при смене динамометров и измерительных поверхностей.

В практике лабораторных исследований из цилиндрических ротационных вискозиметров получили широкое распространение вискозиметры типа Шведова-Куэтта с торсионным принципом измерения крутящих моментов. Приборы этого типа применялись М.П. Воларовичем с сотрудниками для изучения процессов релаксации в мучном тесте, суспензиях и пастах некоторых глин, красок, торфа. П.А. Ребиндер с сотрудниками применили усовершенствованный эластовискозиметр типа прибора Шведова с зазором в 0,1 см при исследовании структурно-механических свойств водных дисперсий бентонитов, студней желатины и других систем. Для исследования реологических свойств высоковязких систем (битумов, строительных материалов) широко применяется электронносельсинный эластовискозиметр Н.В. Михайлова. Конструкция этого прибора обеспечивает снятие кривых = f (τ) в диапазоне  = 5·10^-4 ÷ 3·10³ сек^-1 и τ = 50 - 2·10⁵ дин/см². Этот прибор может работать при постоянном заданном напряжении сдвига, при постоянной скорости нарастания напряжений и при пульсирующих напряжениях. Для изучения высокоэластичных деформаций в релаксирующих коллоидных системах и растворах полимеров А.А. Трапезниковым с сотрудниками предложены эласторелаксометры с коаксиальными цилиндрами.

Известно свыше 50 типов ротационных приборов. Наиболее широкое распространение получили ротационные вискозиметры конструкции М.П. Воларовича РВ-4, РВ-7, РВ-8. Эти приборы предназначены для реологических исследований высококонцентрированных суспензий и паст (в том числе и торфяных), выпускались серийно, а РВ-7 и 8 были включены в ГОСТ. Ротационный вискозиметр РВ-4 с внешним вращающимся цилиндром работает по методу постоянных напряжений сдвига и измеряет реологические характеристики систем при комнатных температурах. Прибор РВ-4 позволяет производить измерение пластической вязкости в пределах 1-10⁵ пз и предельного напряжения сдвига 50-10⁵ дин/см². Вискозиметры РВ-7 и РВ-8 предназначены для измерения вязкости смазочных масел, дизельных топлив, битумов, торфа и других высококонцентрированных дисперсных систем с вязкостью 5-10⁷ пз и предельным напряжением сдвига 50-10⁵ дин/см². Эти приборы могут работать в пределах температур от +150 до - 60˚С.

Целью настоящей работы является снятие реологической кривой течения и определение на ее основе реологических характеристик торфа с помощью ротационного вискозиметра РВ-4 (рис. 1). В координатах  (N – скорость вращения внешнего цилиндра, об/с; Р – величина груза, г) кривая течения имеет S-образный вид, типичный для условно-пластичных твердообразных систем (рис. 2).

Рис. 1. Схема ротационного вискозиметра РВ-4: 1 – грузы, прикрепленные к нити;      2 – блоки; 3, 7 – стойки; 4 – неподвижный цилиндр; 5 – центрирующий тройник;   6 – гайки; 8 – исследуемая среда; 9 – подвижный цилиндр;

10 – стопорное приспособление; 11 – барабан

 

Неподвижный цилиндр 4 расположен внутри полого цилиндра 9. Пространство между цилиндрами заполняется исследуемым торфом 8. Цилиндр 9 приводится во вращение при помощи грузов Р (для удобства расчетов рекомендуется грузы брать одинаковыми), прикрепленных к концам нити 1, перекинутой через блоки 2 и намотанной на барабан 11, ось которого совпадает с осью вращения системы.

Внутренний цилиндр может иметь рифленую поверхность, что исключает возможность скольжения исследуемой среды по поверхности цилиндра. Поверхность внешнего цилиндра может быть гладкой, т.к. напряжения на его поверхности всегда значительно меньше, чем на поверхности внутреннего цилиндра, и скольжение дисперсной системы здесь, как правило, не наблюдается. Дно внутреннего цилиндра плоское (может быть и сферическим). Площадь его незначительная по сравнению с боковой поверхностью цилиндра. Это упрощает вычисления его рабочей поверхности. Остановка прибора и пуск его в ход осуществляются с помощью стопорного приспособления 10. Прибор устанавливается на высоте 1,25-1,5 м от пола с тем, чтобы барабан успел сделать достаточное число оборотов прежде, чем грузы, прикрепленные к нити, коснутся пола.

Типичный вид кривой течения в координатах , полученной с помощью ротационного вискозиметра РВ-4, показан на рис. 3.

По этой кривой можно определить:

1) величину груза , соответствующего статическому предельному напряжению сдвига ;

2) величину груза , соответствующего динамическому предельному напряжению сдвига ;

3) величину груза , соответствующего верхней границе области шведовской ползучести;

4) величину груза , соответствующего нижней границе области бингамовского течения;

5) величину груза , соответствующего условной границе предельно разрушенной структуры;

6) наибольшую вязкость практически неразрушенной структуры  ;                                          

7) наименьшую вязкость предельно разрушенной структуры ;

Рис. 3. Вид кривой течения, полученной на вискозиметре РВ–4:

а – график трения; б – опытная кривая; в – расчетная кривая

 с поправкой на трение

 

8) наименьшую пластическую вязкость по Бингаму ;                                            

9) статическую текучесть ;

10) динамическую текучесть ;

11) статическую пластичность по Воларовичу ;

12) динамическую пластичность по Воларовичу .

 

Порядок выполнения работы

 

1. Перед началом работы центрируют вискозиметр РВ-4. Центрирование прибора сводится к тому, чтобы добиться совмещения оси внутреннего цилиндра с осью вращения системы. Для этой цели применяется специальное направляющее устройство, которое вставляется в кольцевое пространство между наружным и внутренним цилиндрами. Постепенно затягивая гайки 6 центрирующего тройника 5, в котором на стойках 3 и 7 закреплен внутренний цилиндр, добиваются такого положения, чтобы направляющее устройство свободно вынималось из закрепленного прибора. Центрирование достигается тогда, когда затянутый гайками 6 центрирующий тройник 5 свободно вынимается из стоек 3, 7 (рис. 1). 

2. Определяют потери на трение в приборе. Для этой цели необходимо построить график зависимости между угловой скоростью вращения внешнего цилиндра и массой грузов для пустого вискозиметра. Угловую скорость вращения наружного цилиндра находят для нескольких значений грузов, незначительно отличающихся друг от друга. Результаты заносят в табл. 1 и изображают графически, откладывая на оси абсцисс величину груза Р в граммах, а по оси ординат угловую скорость вращения, выражая ее через число оборотов в секунду N. Типичный график трения приведен на рис. 3,а. Величина Р_о соответствует потерям на трение в приборе.

3. Измеряют диаметр барабана 6 (D), диаметр внутреннего 1 (d₁) и наружного 2 (d₂) цилиндров в сантиметрах.

4. Исследуемый торф помещают во внешний снимающийся цилиндр в таком объеме, чтобы после погружения внутреннего цилиндра торфяная масса не вытекала из внешнего цилиндра.

5. При различных грузах (5-6 значениях), начиная с минимального (при котором внешний цилиндр только начинает вращаться), определяют угловую скорость вращения наружного цилиндра при наличии в нем торфа. Результаты измерений заносят в табл. 1.

6. Измеряют глубину погружения внутреннего цилиндра в исследуемую систему h, см. 

7. По значениям N при различных Р строят график зависимости  (рис. 3,б).

8. Для исключения влияния сил трения на результаты определений из абсцисс зависимости  (рис. 3,б) вычитают величину абсцисс графика «а» на рис. 3 при разных значениях N.

9. По полученным точкам строят фактическую реологическую кривую (рис. 3,в).

10. По кривой «в» рис. 3 определяют , , , , а иногда и .

 

Торф ……………………………….   степень разложения R=………….%;              

влажность ω=………%;                      диаметр барабана D=….см;  

диаметр внутреннего цилиндра d₁=...см; диаметр внешнего цилиндра d₂ = …см;

глубина погружения внутреннего цилиндра в исследуемую среду h=……..см.

 

Таблица 1. Результаты наблюдений

 

Определение потерь на трение

Определение реологических характеристик торфа