|
Урало-Сибирская научно-практическая конференция |
|
|
|
К.Г. Костарев, А.В. Шмыров
Физические методы управления развитием химических реакций до сих пор сводятся, в основном, к поддержанию на нужном уровне двух параметров: температуры и давления. Но есть еще один фактор, который постоянно участвует в процессе, - это гравитация. Особенно чувствительна к уровню гравитации реакция полимеризации. Причиной такой чувствительности является изменение плотности жидкой реакционной смеси за счет превращения (конверсии) мономера в полимер и экзотермичности этого процесса. Установлено, что от уровня гравитации зависят не только характерные времена реакции, но и структура и свойства конечного полимерного продукта. Таким образом, знание механизмов гравитационной чувствительности дает возможность получать образцы полимеров с заданным распределением свойств. Выполненные к настоящему времени эксперименты, показали, что существует, по крайней мере, четыре механизма гравитационного происхождения, способных повлиять на развитие реакции и формирование свойств полимерных материалов. Установлено, что при нормальной силе тяжести основным механизмом является свободная тепловая и концентрационная (конверсионная) конвекция мономера, обусловленная неоднородным развитием реакции в объеме реактора. В качестве второго из них можно назвать седиментацию первичных полимерных микрочастиц, которые формируются на начальном этапе ряда реакций в результате объединения возникающих молекул полимера и поэтому уже, несмотря на свои малые размеры, имеют иную плотность, чем мономер. Вследствие разности плотностей в гравитационном поле на фоне неподвижного мономера должно происходить осаждение этих микрочастиц с интенсивностью, пропорциональной величине силы тяжести. Третьим гравитационно-чувствительный механизмом является неустойчивость фронта реакции в случае пространственно неоднородного инициирования химического процесса (локальный нагрев, освещение одной из сторон реактора и т.д.). Оказавшись в поле массовых сил, зона синтеза полимера может испытывать релей-тейлоровскую неустойчивость, приводящую к нарушению формы фронта и изменению направления распространения реакции. Наконец, существует еще один механизм, действующий на завершающей стадии полимеризации, но во многом аналогичный седиментации. Этим механизмом является деформация формирующейся полимерной губки силой тяжести за счет различия в плотностях губки и мономера, заполняющего её поры. Продолжающаяся полимеризация "фиксирует" структуру деформированной губки, частично сохраняя ее вид после снятия нагрузки. Для исследованного в настоящее время ряда веществ (водонаполненные гели, эпоксидные смолы, полиэфиры) седиментационный и деформациионный механизмы влияния гравитации значительно слабее конвекции, но в тоже время они более перспективны для получения полимеров с заданным распределением физико-химических и механических свойств. Для исследования влияния указанных механизмов и выяснения характера их взаимодействия была создана специальная установка. Основой установки является неподвижный лазерный интерферометр Физо с вращающейся рабочей ячейкой, установленной на валу электродвигателя с регулируемой частотой вращения до 50 об/сек (Рис1.). Благодаря конструкции кюветы (Рис.2) и системе синхронизации установка позволяет вести непрерывную видеозапись интерферограмм поля оптической плотности в прозрачной среде, заполняющей кювету. Полученные данные дают возможность судить о распределениях температуры и концентрации в объеме реактора, а - в случаях возникновения движения - о его структуре и скорости.
|
