Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов

Величина снижения прочности гидрофильных материалов (щелочногалоидных кристаллов и полимеров) под влиянием растворов разного электролитического состава сопоставлялась со структурными и термодинамическими характеристиками водно-солевых систем, отражающими величину энергии взаимодействия этих...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:	2008
Автори:	Траскин, В.Ю., Скворцова, З.Н., Перцов, А.В., Охапкин, И.М., Кенжеев, Б.Ш.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2008
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87937
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов / В.Ю. Траскин, З.Н. Скворцова, А.В. Перцов, И.М. Охапкин, Б.Ш. Кенжеев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 353-365. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860117160635924480
author	Траскин, В.Ю. Скворцова, З.Н. Перцов, А.В. Охапкин, И.М. Кенжеев, Б.Ш.
author_facet	Траскин, В.Ю. Скворцова, З.Н. Перцов, А.В. Охапкин, И.М. Кенжеев, Б.Ш.
citation_txt	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов / В.Ю. Траскин, З.Н. Скворцова, А.В. Перцов, И.М. Охапкин, Б.Ш. Кенжеев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 353-365. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Величина снижения прочности гидрофильных материалов (щелочногалоидных кристаллов и полимеров) под влиянием растворов разного электролитического состава сопоставлялась со структурными и термодинамическими характеристиками водно-солевых систем, отражающими величину энергии взаимодействия этих солей с водой. Установлено, что, чем слабее ионы электролита связывают воду (чем больше коэффициент активности воды), тем сильнее проявляется эффект адсорбционного понижения прочности. Определяющим в реализации эффекта разупрочнения материала является подвижность молекул воды или интенсивность их трансляционного движения в непосредственной близости от гидратированных ионов. Величина зниження міцности гідрофільних матеріялів (лужно-галоїдних кристалів і полімерів) під впливом розчинів ріжного електролітичного складу порівнювалася зі структурними та термодинамічними характериcтиками водноольових систем, які відображали величину енергії взаємодії цих солей з водою. Встановлено, що, чим слабше йони електроліту зв’язують воду (чим більше коефіцієнт активности води), тим сильніше проявляється ефект адсорбційного зниження міцности. Визначаючим у реалізації ефекту зменшення міцности матеріялу є рухомість молекуль води або інтенсивність їх трансляційного руху в безпосередній близькости від гідратованих йонів. The value of decrease in the strength of hydrophilic materials (alkalinehalide crystals and polymers) under the influence of solutions of different electrolytic composition is compared with the structural and thermodynamical characteristics of water–salt systems reflecting the energy of interaction between these salts and water. As revealed, the weaker ions of electrolyte bond water (the greater coefficient of water activity) the stronger effect of the adsorption decrease of the strength manifests itself. The mobility of water molecules or the intensity of their translational movement in the immediate vicinity of hydrated ions is determining factor in the realization of the effect of material softening.
first_indexed	2025-12-07T17:37:07Z
format	Article
fulltext	353 PACS numbers: 81.16.Dn, 82.30.Rs, 82.35.Rs, 82.45.Tv, 82.70.Uv, 83.50.-v, 83.80.-k Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов В. Ю. Траскин, З. Н. Скворцова, А. В. Перцов, И. М. Охапкин, Б. Ш. Кенжеев Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Ленинские горы, 119899 Москва, Россия Величина снижения прочности гидрофильных материалов (щелочно- галоидных кристаллов и полимеров) под влиянием растворов разного электролитического состава сопоставлялась со структурными и термо- динамическими характеристиками водно-солевых систем, отражающи- ми величину энергии взаимодействия этих солей с водой. Установлено, что, чем слабее ионы электролита связывают воду (чем больше коэф- фициент активности воды), тем сильнее проявляется эффект адсорбци- онного понижения прочности. Определяющим в реализации эффекта разупрочнения материала является подвижность молекул воды или ин- тенсивность их трансляционного движения в непосредственной близо- сти от гидратированных ионов. Величина зниження міцности гідрофільних матеріялів (лужно-галоїдних кристалів і полімерів) під впливом розчинів ріжного електролітичного складу порівнювалася зі структурними та термодинамічними характери- стиками водно-сольових систем, які відображали величину енергії взає- модії цих солей з водою. Встановлено, що, чим слабше йони електроліту зв’язують воду (чим більше коефіцієнт активности води), тим сильніше проявляється ефект адсорбційного зниження міцности. Визначаючим у реалізації ефекту зменшення міцности матеріялу є рухомість молекуль води або інтенсивність їх трансляційного руху в безпосередній близькости від гідратованих йонів. The value of decrease in the strength of hydrophilic materials (alkaline- halide crystals and polymers) under the influence of solutions of different electrolytic composition is compared with the structural and thermody- namical characteristics of water–salt systems reflecting the energy of in- teraction between these salts and water. As revealed, the weaker ions of electrolyte bond water (the greater coefficient of water activity) the stronger effect of the adsorption decrease of the strength manifests itself. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2008, т. 6, № 2, сс. 353–365  2008 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Ã. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 354 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. The mobility of water molecules or the intensity of their translational movement in the immediate vicinity of hydrated ions is determining fac- tor in the realization of the effect of material softening. Ключевые слова: межфазная энергия, сольватные комплексы, подвиж- ность ионов, гидрофильные материалы. (Получено 21 сентября 2006 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Изменение механических свойств твердых тел в результате обрати- мого физико-химического взаимодействия с жидкой средой (эффект Ребиндера) — одна из главных проблем, изучаемых в современной физико-химической механике. Общее термодинамическое условие эффекта состоит в снижении межфазной энергии твердых тел на гра- нице со средой, что приводит к облегчению образования новых по- верхностей в процессах деформирования и разрушения. Снижение межфазной энергии обусловливается достаточной интенсивностью взаимодействия граничащих фаз [1, 2]. В то же время в системах, ха- рактеризующихся большой энергией взаимодействия разнородных молекул (например, галогениды натрия — вода в температурных об- ластях существования кристаллогидратов), обратимое физико- химическое влияние среды на механические свойства твердых тел наблюдается обычно в очень малой степени или не наблюдается во- все. По-видимому, во многих случаях это можно объяснить кинети- ческими затруднениями, связанными с недостаточной подвижно- стью молекул среды. Немногочисленные работы, посвященные роли молекулярной подвижности воды в понижении прочности, проводились в основном на стеклах и полимерах и касались, как правило, ограничения под- вижности молекул активной среды при их взаимодействии с твер- дым телом. Так, например, изучение зависимости прочности сили- катных стекол от температуры во влажной среде показало, что в той области температур, где наблюдается резкое ограничение подвижно- сти сорбированной воды (170–200 К), происходит резкий скачок прочности стекол [3]. Аналогичная корреляция между подвижно- стью сорбированной воды и прочностью наблюдалась и для гидрат- целлюлозы [4]: прочность увлажненных нитей становится равной прочности обезвоженных образцов при температурах, когда значи- тельно увеличивается относительное содержание связанной воды, определенное по спектру ЯМР. Обычно это связывается с затрудне- нием распространения активной среды непосредственно вблизи раз- рываемых связей. Вместе с тем, значительное влияние на подвиж- ность молекул воды может оказать также их связывание в жидкой фазе, например в результате образования сольватных комплексов. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 355 Как известно, интенсивность взаимодействия молекул воды с раз- личными ионами изменяется в весьма широких пределах. В соответ- ствии с представлениями, развитыми в классических работах О. Я. Самойлова [5] и убедительно подтвержденными в дальнейшем (см., например, [6, 7]), «положительно гидратированные» ионы (Na, Li, Mg2, Ca2, CO3 2–) уменьшают подвижность молекул воды, в то время как в присутствии «отрицательно гидратированных» ионов (K , Cs) наблюдается обратный эффект. Количественным критерием под- вижности служит величина Е — изменение под действием ионов потенциального барьера, разделяющего соседние положения равно- весия молекул воды в растворе. Повышение активационного барьера самодиффузии влечет за со- бой изменение макроскопических свойств жидкости. В присутствии положительно гидратированных ионов уменьшается коэффициент самодиффузии воды и ее термодинамическая активность. Следует отметить, что основные положения рассмотренной концепции были сформулированы Самойловым для разбавленных растворов электро- литов, в которых сохраняется, хотя и искаженная, структура воды. В концентрированных растворах электролитов эта теория не совсем применима, поскольку для них характерна, в смысле ближней упо- рядоченности, структура соответствующих кристаллогидратов. Од- нако те положения теории, которые касаются разделения ионов на положительно и отрицательно гидратируемые, остаются в силе и для концентрированных растворов [8]. В данной работе величина снижения прочности гидрофильных материалов различной природы (щелочно-галоидных кристаллов и полимеров) сопоставлялась со структурными и термодинамиче- скими характеристиками водно-солевых систем, отражающими величину энергии взаимодействия этих солей с водой. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Щелочно-галоидные кристаллы Влияние среды на прочность кристаллов щелочных галогенидов изучали на моно- и поликристаллических образцах. В первом случае был использован метод маятниковой царапающей склерометрии, — один из методов локального разрушения, весьма часто применяемых при изучении влияния сред на прочность твер- дых тел. Этот метод обеспечивает непосредственную близость среды к зоне разрушения и сложнонапряженные состояния с высокими кон- центрациями сдвиговых и растягивающих напряжений, что создает условия, благоприятствующие проявлению эффекта Ребиндера [9]. Маятниковый склерометр, специально сконструированный для дан- ной работы, представляет собой маятник и соединенный с ним инден- 356 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. тор – твердосплавный брусок сечением 11 мм, заточенный в виде ко- нуса с углом при вершине 90. Индентор касается образца, укреплен- ного в ванночке со средой, и царапает образец при качании маятника. Объектами исследования служили монокристаллические образцы хлорида натрия размером 2563 мм, выколотые по спайности из больших монокристаллов. Царапание проводилось на плоскости (100) в направлении 100. При разных нагрузках (в диапазоне от 7,2 до 5,2 г) определялась сначала сила трения F, а на другом образце при той же массе груза определялась ширина царапины (d10), полученной в результате принудительных колебаний маятника после 10 циклов колебаний. Склерометрическая прочность определялась как F/d10 2, где сила трения F рассчитывалась по времени затухания t по формуле Fm(gH/2)1/2/t, (m — масса груза, подвешенного к маятнику, H — максимальная высота поднятия груза). В среднем проводилось 30 из- мерений силы трения и ширины царапины по всему диапазону нагру- зок, при этом ошибка измерений не превышала 2%. Поликристаллы щелочных галогенидов (NaCl, NaBr, KCl, KBr, KI) получали экструзией монокристаллов при температуре, равной 0,8Тпл соответствующей соли с последующим рекристаллизаци- онным отжигом. Размер зерна приготовленных таким образом кри- сталлов составлял 200–300 мкм. Цилиндрические образцы диамет- ром d1,5 мм испытывались на изгиб по трехточечной схеме с по- стоянной скоростью нагружения 101 Н/с. Предельное разрывное напряжение рассчитывали по формуле Pс8Fl/d3, где F — раз- рывное усилие; l — длина рабочей части (15 мм). Определялась прочность на воздухе или в присутствии активной среды. В послед- нем случае раствор наносился в виде капли на поверхность образца непосредственно перед нагружением. Коэффициент вариации при испытаниях 20 образцов составлял 7%. 2.2. Гидрофильные полимеры на основе целлюлозы В качестве объектов исследований использовался целлофан (неори- ентированная гидратцеллюлозная пленка промышленного произ- водства — целлюлоза вискозная) толщиной 25 мкм, а также обеззо- ленные фильтры с содержанием целлюлозы более 99,9% толщиной 150 мкм. Испытывались стандартные образцы размерами 535 и 1060 мм2 соответственно. Образцы испытывали при комнатной температуре с постоянной скоростью растяжения на динамометри- ческой установке 2038Р-005 и на испытательной машине «Авто- граф-1S-10Т» фирмы Шимадзу, а также с постоянной скоростью нагружения 1 Н/с на разрывной машине ДШ-3М1. В этих условиях на воздухе образцы, в соответствии с [10], разрушаются без замет- ной пластической деформации, прочность P0 во всем диапазоне ско- ростей составляет для целлюлозы 13 МПа, для бумаги — 12 МПа. Коэффициент вариации при измерениях прочности бумаги и цел- МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 357 лофана, как на воздухе, так и в присутствии растворов, рассчитан- ный по результатам измерений 30 образцов, равен 4%. При исследовании влияния жидких сред на прочность целлофана образцы предварительно выдерживались в воде или в растворе в те- чение 20 минут до достижения постоянного веса. В присутствии воды относительная прочность целлофана снижается до 30% от P0, при этом сохраняется хрупкий характер разрушения. При испытаниях бумаги жидкость наносилась непосредственно перед нагружением на среднюю часть образца, разрушение всегда происходило по смочен- ной части. Прочность образцов в присутствии воды падала до 5–10% от P0, деформация увлажненных образцов не превышала 5%. Для испытаний фильтровальной бумаги и целлофана на долговеч- ность использовались образцы гантелеобразной формы с рабочей ча- стью шириной 0,5 см и длиной около 4 см. Концы образцов (шириной 1 см) гидрофобизовались водостойким клеем и закреплялись в зажи- мах. Образцы испытывались в специально сконструированной каме- ре, обеспечивающей постоянство температуры и влажности; градиент температуры в камере не превышал 0,5. Эксперименты проводили в парах раствора, который использовался для смачивания образцов. Для этого перед герметизацией прибора в него помещалась чашка Петри с испытуемым раствором, время насыщения камеры парами раствора составляло 40 мин. За это время внутри прибора устанавли- валась постоянная влажность, которая регистрировалась с помощью психрометра. Полученные значения влажности над различными рас- творами совпадали с табличными [11]. В случае воды стопроцентная влажность не достигалась, поэтому эксперименты с образцами бумаги в присутствии воды проводились не в условиях смачивания образцов, а при их погружении в среду. После установления необходимой тем- пературы и равновесия пар–жидкость образцы нагружались, и одно- временно на них помещалась капля раствора. Определялось время  от нанесения раствора до разрушения образца (долговечность). В качестве сред при различных методах испытаний использова- лись вода и водные растворы NaCl, NaBr, KCl, KBr, KI, LiCl, CsI, MgCl2, CaCl2, K2CO3 различных концентраций, а также растворы смешанного состава. При работе со щелочными галогенидами рас- творы смешанного состава всегда готовились на основе раствора, насыщенного по отношению к соответствующей соли. Для каждого раствора рассчитывался молярный коэффициент активности ymolaw/cw, где cw — количество молей воды в одном литре раствора, а aw — активность воды в той же шкале. Активность воды в сме- шанных растворах рассчитывалась по правилу Здановского [12]. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Результаты измерений прочности на изгиб поликристаллов щелоч- 358 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. ных галогенидов и склерометрической прочности монокристалла NaCl в присутствии водных растворов различного состава в зависи- мости от величины ymol представлены на рис. 1. Оказалось, что чем слабее ионы электролита связывают воду (чем больше коэффициент активности воды), тем сильнее проявляется эффект адсорбционного понижения прочности. Сплошные кривые описывают изменение прочности одной и той же соли в условиях различной подвижности воды в жидкой фазе. Пунктирная кривая показывает, что сущест- вует определенная корреляция между значениями прочности раз- личных солей в контакте с их насыщенными водными растворами и коэффициентами активности воды в этих растворах. Тот факт, что существует строгая корреляция между величиной эффекта и коэффициентом активности, а не активностью воды в растворе, указывает, по-видимому, на то, что важно не количество «свободных» молекул воды в растворе, а интенсивность их транс- ляционного движения в непосредственной близости от иона. Большая чувствительность склерометрического метода позволи- ла определить зависимость прочности от концентрации хлорида магния, введенного в раствор. Было обнаружено, что при опреде- ленных концентрациях MgCl2 значение прочности имеет резко вы- раженные максимумы. При этом повышение склерометрической прочности соответствует перегибам на кривой измеренной нами концентрационной зависимости электросопротивления раствора. Изменение электросопротивления раствора является прямым след- ствием изменения интенсивности трансляционного движения ио- нов под действием электрического поля (т.е. частотой их активиро- ванных скачков из одного положения равновесия в соседнее). На рисунке 2 представлены изменения склерометрической проч- ности монокристаллов NaCl и величины ΔRRRлин, наглядно Рис. 1. Относительная прочность поликристаллов щелочных галогени- дов при испытаниях на изгиб (Pс)А/(Pс)o) (а) и склерометрическая проч- ность монокристаллов NaCl (F/d10 2) (б) в присутствии водных растворов различного состава в зависимости от коэффициента активности ymol. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 359 представляющей скачки на кривой электросопротивления (R — из- меренные значения электросопротивления; Rлин — значения, полу- чающиеся в результате линейной аппроксимации зависимости R(c)). Таким образом, изменения склерометрической прочности кристаллов в контакте с водными растворами можно объяснить из- менениями подвижности молекул воды в растворах, вызванными перестройками их структуры, с которой обычно связывают переги- бы на кривой электросопротивления. В более широком диапазоне электролитного состава и концен- траций, начиная с чистой воды, можно проследить действие рас- творов при измерении прочности гидрофильных, но не раствори- мых в воде полимеров. Определяющая роль подвижности молекул воды в разупрочняющем действии растворов наглядно демонстри- руется следующими результатами — изменение долговечности фильтровальной бумаги при изменении состава раствора коррели- Рис. 2. Склерометрическая прочность монокристаллов NaCl в присутст- вии смешанных растворов NaCl–MgCl2 (1) и величина ΔR этих растворов (2) в зависимости от концентрации хлорида магния. Рис. 3. Сопоставление зависимостей долговечности фильтровальной бума- ги (τ) и коэффициента самодиффузии воды (D) (по данным [13]) от мольной доли электролитов в растворах MgCl2 (1), CaCl2 (2), K2CO3 (3), LiCl (4). 360 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. рует с изменением коэффициента самодиффузии воды (рис. 2, 3) прочность бумаги на растяжение при широком варьировании элек- тролитного состава определяется величиной коэффициента актив- ности воды в растворе (рис. 4). Испытания в присутствии водных растворов электролитов при постоянной скорости нагружения показали (рис. 5), что растворы солей с «отрицательно гидратированными» ионами (K , Cs) во всем интервале исследованных концентраций (вплоть до насыщенных растворов солей) не изменяют степени действия воды на прочность полимера, в то время как достаточно концентрированные растворы солей с «положительно гидратированными» ионами (Na, Li, Mg2, Ca2, CO3 2–) в значительной степени снижают разупрочняющее дей- ствие воды. Степень влияния растворов зависит от скорости деформирова- ния: при малых скоростях образцы разрушаются, как в чистой во- Рис. 4. Зависимость относительной прочности бумаги в присутствии водных растворов различного состава от коэффициента активности воды в соответствующих растворах. Рис. 5. Зависимость относительной прочности целлофана от концентра- ции растворов электролитов (С0 — концентрация насыщенного раство- ра): MgCl2 (1), CaCl2 (2), K2CO3 (3), LiCl (4), NaCl (5), KCl (6). МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 361 де; при увеличении скорости растяжения прочность в присутствии некоторых «положительно гидратированных» ионов достигает прочности воздушно-сухих образцов. Тот факт, что зависимость от скорости растяжения наблюдается лишь в присутствии растворен- ных солей, а в чистой воде и на воздухе прочность в исследованном диапазоне скоростей растяжения остается постоянной (рис. 6, 7), свидетельствует о кинетической природе влияния водных раство- ров электролитов. Для количественного описания этого явления наиболее перспек- тивным представляется подход, разработанный Журковым и осно- ванный на кинетической концепции прочности. Долговечность ма- териала  (время жизни образца до разрушения) описывается фор- мулой [14]: Рис. 6. Зависимости относительной прочности бумаги от скорости рас- тяжения на воздухе (1), в воде (2) и в присутствии насыщенного водно- го раствора K2CO3 (3). Рис. 7. Зависимости прочности целлофана от скорости растяжения в на- сыщенных растворах электролитов: MgCl2 (1), CaCl2 (2), K2CO3 (3), LiCl (4), в воде (5) и на воздухе (6). 362 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. 0 0exp U P kT          , (1) где  — структурно-чувствительный коэффициент; 0 — коэффици- ент, имеющий размерность времени и отражающий термофлуктуа- ционную природу прочности; U0 — энергия активации разрушения; P — приложенное напряжение; k — постоянная Больцмана; Т — температура. В режиме динамического нагружения в условиях хрупкого раз- рушения связь скорости растяжения (V) с прочностью Pc выражает- ся соотношением, аналогичным приведенному в работе [10]: 0 0lnc VE UkT P kT kT        ; (2) Е — модуль упругости образцов, рассчитанный по исходным де- а б Рис. 8. Силовые зависимости долговечности бумаги (а) и целлофана (б) в насыщенных водных растворах электролитов: MgCl2 (1), CaCl2 (2), K2CO3 (3), LiCl (4), в воде (5) и на воздухе (6). Рис. 9. Силовые зависимости долговечности целлофана в воде, на возду- хе и в присутствии растворов MgCl2 при температурах 5, 22 и 35С. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 363 формационным кривым. Следует отметить, что определенная для целлофана величина Е существенно зависит от состава среды и изменяется от 1000 МПа при испытаниях на воздухе до 50 МПа в присутствии воды. Действительно, экспериментально полученные зависимости проч- ности от скорости растяжения хорошо спрямляются в полулогариф- мических координатах (рис. 6, 7). Рассчитанные по уравнению (2) величины структурно-чувствительного коэффициента  и энергии активации U0 представлены в таблице. Зависимости долговечности бумаги и целлофана от приложенной нагрузки на воздухе, в присутствии воды и водных растворов элек- тролитов также хорошо спрямляются в полулогарифмических коор- динатах в соответствии с уравнением (1) (рис. 8). При испытаниях бумаги в присутствии воды в области напряжений 0,2 МПа наблюда- ется т.н. порог прочности (подобно тому, что наблюдалось в [15] для поликристаллов цинка, смоченных ртутью). В этом случае расчеты проводились только для напряжений выше 0,2 МПа. Температурные зависимости долговечности образцов позволяют оценить значение 0 дважды: из зависимостей (1/T) и (lnP). На рисунке 9 в качестве примера приведены данные, полученные для образцов целлофана: сухих, смоченных водой и раствором MgCl2. Для разных сред вели- чина 0, определенная для целлофана, колеблется в интервале значе- ний 10–13–10–12 с, что близко к интервалу 010–14–10–12 с, определен- ТАБЛИЦА. Параметры уравнения Журкова: активационный объем  (см3), эффективная энергия активации разрушения U0 (кДж/моль) и ее изменение U (кДж/моль) в присутствии электролитов, рассчитанные по измерениям долговечности (1) и в условиях активного нагружения (2). Растворы Среда испытания MgCl2 K2CO3 CaCl2 LiCl H2O воздух Параметры уравнения уравнение Целлофан (1) 6.9 5,1 14,2 14,6 14,1 19,5 , ·1022 (2) 4,3 3,5 6,9 4,8 U0 (1) 85,3 144,2 U0 (1) 22,5 10,4 14,6 5,4 U0 (2) 13,3 6,7 10,0 3,7 Параметры уравнения уравнение Бумага (1) 3,5 6,7 4,2 5,6 2,9 2,4 , ·1022 (2) 3,5 4,6 3,7 4,2 U0 (1) 83,6 133,8 U0 (1) 18,8 16,7 12,5 10,4 364 В. Ю. ТРАСКИН, З. Н. СКВОРЦОВА, А. В. ПЕРЦОВ и др. ному для полимеров [16]. Рассчитанные по уравнению (1) значения U0 и  представлены в табл. 1 (ошибка в определении обеих величин составляет 5%). Экспериментально найденное значение  для испы- таний бумаги на воздухе близко к имеющимся в литературе [10, 14]. Величина U0, соответствующая воздушно-сухим образцам, лежит в интервале значений U031–35 ккал/моль для целлюлозы, не под- вергшейся специальной осушке [10]. Энергия активации разруше- ния пропитанного водой целлофана (20,5 ккал/моль) близка к при- водимым в литературе энергиям активации разрушения гидрофиль- ных полимеров в присутствии воды (22–27 ккал/моль) [16]. В терминах кинетической теории прочности Журкова получен- ные результаты говорят о том, что среда может влиять как на вели- чину энергии активации разрушения U0, так и на структурно- чувствительный коэффициент , отражающий изменение структу- ры материала при его взаимодействии со средой. Некоторые разли- чия в значениях , рассчитанных из результатов испытаний при статическом и динамическом нагружении, могут быть связаны с различными временами контакта образцов с водными растворами при измерениях длительной и мгновенной прочности. Увеличение энергии активации разрушения в присутствии электролитов по по- рядку величины соответствует приводимому в работе Самойлова значению E, характеризующему степень ближней гидратации ио- нов (изменению ионом потенциального барьера, разделяющего со- седние положения равновесия молекул воды, сравнительно с вели- чиной барьера для чистой воды). Согласно полученным значениям U0 и ΔU0 для целлофана и бумаги, соли выстраиваются в том же ря- ду, который приводится в работах [6, 13] по степени положительной гидратации ионов Mg2Ca2 CO3 2Li, определенной по измене- нию коэффициента самодиффузии в соответствующих растворах. Такая же последовательность соблюдается и при измерениях проч- ности на растяжение целлофана в присутствии насыщенных рас- творов электролитов. Представленные результаты приводят к выводу о том, что влия- ние электролитного состава раствора на прочность гидрофильных материалов связано с изменением так называемых кинетических свойств растворов, определяемых подвижностью воды вблизи гид- ратированных ионов. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин, Коллоидн. журн., 20, № 5: 645 (1958). 2. В. Ю. Траскин, З. Н. Скворцова, Н. В. Перцов, Е. Д. Щукин, П. А. Ребин- дер, ДАН СССР, 191: 876 (1970). 3. Ô. Ô. Витман, В. А. Берштейн, В. И. Пух, Прочность стекла (Москва: Мир: 1969), с. 7. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ÃИДРОÔИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 365 4. В. А. Берштейн, Проблемы прочности и пластичности твердых тел (Ле- нинград: Наука: 1979). 5. О. Я. Самойлов, Структура водных растворов электролитов и гидрата- ция ионов (Москва: Изд-во АН СССР: 1957). 6. K. J. Muller and H. G. Hertz, J. Phys. Chem, 100: 1256 (1996). 7. С. А. Засыпкин, М. Н. Родникова, Ã. Ã. Маленков, ЖСХ, 34, № 2: 96 (1993). 8. М. К. Хрипун, Л. С. Лилич, А. Ю. Ефимов, С. А. Булгаков, Проблемы со- временной химии координационных соединений, 7: 58 (1983). 9. N. V. Pertsov, Surface Effects in Crystal Plasticity (Eds. R. M. Latanision and J. F. Fourie) (Noedhoff-Leyden: 1977). 10. В. А. Берштейн, Механо-гидролитические процессы и прочность твердых тел. (Ленинград: Наука: 1987). 11. Handbook of Chemistry and Physics (Eds D. Charles and M. S. Hodgman) (Cleveland, Ohio: Chemical Rubber Publishing Co.: 1956). 12. А. Б. Здановский, Закономерности в изменениях свойств смешанных рас- творов (Москва–Ленинград: Труды ВНИИ галургии: 1936), 6. 13. V. Mills and V. M. M. Lobo, Self-Diffusion in Electrolite Solutions (Elsevier: 1988). 14. В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский, Кинетическая природа прочности твердых тел (Москва: Наука: 1974). 15. Н. И. Иванова, Влияние металлических адсорбционно-активных распла- вов на длительную прочность материалов (Диссертация … канд. хим. на- ук) (Москва: МÃУ: 1969). 16. В. Е. Ãуль, Структура и прочность полимеров (Москва: Химия: 1971).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87937
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:37:07Z
publishDate	2008
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Траскин, В.Ю. Скворцова, З.Н. Перцов, А.В. Охапкин, И.М. Кенжеев, Б.Ш. 2015-10-31T07:05:20Z 2015-10-31T07:05:20Z 2008 Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов / В.Ю. Траскин, З.Н. Скворцова, А.В. Перцов, И.М. Охапкин, Б.Ш. Кенжеев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 353-365. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 81.16.Dn,82.30.Rs,82.35.Rs,82.45.Tv,82.70.Uv,83.50.-v,83.80.-k https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87937 Величина снижения прочности гидрофильных материалов (щелочногалоидных кристаллов и полимеров) под влиянием растворов разного электролитического состава сопоставлялась со структурными и термодинамическими характеристиками водно-солевых систем, отражающими величину энергии взаимодействия этих солей с водой. Установлено, что, чем слабее ионы электролита связывают воду (чем больше коэффициент активности воды), тем сильнее проявляется эффект адсорбционного понижения прочности. Определяющим в реализации эффекта разупрочнения материала является подвижность молекул воды или интенсивность их трансляционного движения в непосредственной близости от гидратированных ионов. Величина зниження міцности гідрофільних матеріялів (лужно-галоїдних кристалів і полімерів) під впливом розчинів ріжного електролітичного складу порівнювалася зі структурними та термодинамічними характериcтиками водноольових систем, які відображали величину енергії взаємодії цих солей з водою. Встановлено, що, чим слабше йони електроліту зв’язують воду (чим більше коефіцієнт активности води), тим сильніше проявляється ефект адсорбційного зниження міцности. Визначаючим у реалізації ефекту зменшення міцности матеріялу є рухомість молекуль води або інтенсивність їх трансляційного руху в безпосередній близькости від гідратованих йонів. The value of decrease in the strength of hydrophilic materials (alkalinehalide crystals and polymers) under the influence of solutions of different electrolytic composition is compared with the structural and thermodynamical characteristics of water–salt systems reflecting the energy of interaction between these salts and water. As revealed, the weaker ions of electrolyte bond water (the greater coefficient of water activity) the stronger effect of the adsorption decrease of the strength manifests itself. The mobility of water molecules or the intensity of their translational movement in the immediate vicinity of hydrated ions is determining factor in the realization of the effect of material softening. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов Influence of Water Electrolyte Solutions on Mechanical Properties of Hydrophilic Materials Article published earlier
spellingShingle	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов Траскин, В.Ю. Скворцова, З.Н. Перцов, А.В. Охапкин, И.М. Кенжеев, Б.Ш.
title	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
title_alt	Influence of Water Electrolyte Solutions on Mechanical Properties of Hydrophilic Materials
title_full	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
title_fullStr	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
title_full_unstemmed	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
title_short	Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
title_sort	влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87937
work_keys_str_mv	AT traskinvû vliânievodnyhrastvorovélektrolitovnamehaničeskiesvoistvagidrofilʹnyhmaterialov AT skvorcovazn vliânievodnyhrastvorovélektrolitovnamehaničeskiesvoistvagidrofilʹnyhmaterialov AT percovav vliânievodnyhrastvorovélektrolitovnamehaničeskiesvoistvagidrofilʹnyhmaterialov AT ohapkinim vliânievodnyhrastvorovélektrolitovnamehaničeskiesvoistvagidrofilʹnyhmaterialov AT kenžeevbš vliânievodnyhrastvorovélektrolitovnamehaničeskiesvoistvagidrofilʹnyhmaterialov AT traskinvû influenceofwaterelectrolytesolutionsonmechanicalpropertiesofhydrophilicmaterials AT skvorcovazn influenceofwaterelectrolytesolutionsonmechanicalpropertiesofhydrophilicmaterials AT percovav influenceofwaterelectrolytesolutionsonmechanicalpropertiesofhydrophilicmaterials AT ohapkinim influenceofwaterelectrolytesolutionsonmechanicalpropertiesofhydrophilicmaterials AT kenžeevbš influenceofwaterelectrolytesolutionsonmechanicalpropertiesofhydrophilicmaterials

Влияние водных растворов электролитов на механические свойства гидрофильных материалов

Репозитарії

Схожі ресурси