Экспериментальное исследование влияния седиментации на развитие конвекции реагирующего мономера в центробежном поле

К.Г. Костарев, А.В. Шмыров (Пермь)

Хотя синтетические полимерные материалы известны уже второе столетие, исследование факторов, влияющих на формирование их свойств и самой структуры, далеко от завершения. Причиной этого является невозможность ответить на все возникающие вопросы с помощью только химических методов. Одним из перспективных направлений решения ряда задач физхимии полимеров может оказаться использование подходов, традиционных для экспериментальной гидродинамики.

Реакция полимеризации весьма чувствительна к уровню гравитации. В настоящий момент установлено, что существует, по крайней мере, четыре гравитационно - чувствительных механизма, участвующих в процессе полимерного синтеза. Два из них - седиментация первичных полимерных микрочастиц и конвекция реагирующего мономера - представляют интерес точки зрения гидродинамики, поскольку действуют на жидкой стадии реакции. Наиболее сильной при нормальной силе тяжести оказывается конвекция, вызванная экзотермичностью реакции и изменением плотности мономера в ходе его превращения (конверсии) в полимер. Седиментация значительно слабее конвекции по степени влияния на процесс полимеризации и маскируется ею.

Однако с увеличением уровня гравитации интенсивность осаждения микрочастиц может существенно возрасти. Для выяснения роли седиментации и характера ее взаимодействия с конвекцией в условиях повышенной гравитации была проведена серия экспериментов по исследованию термически инициируемой полимеризации полиакриламидных гелей в центробежном поле. С этой целью кювета в виде тонкого диска, заполненного реагирующим полимером, устанавливалась на центрифугу и приводилась во вращение с различными скоростями.

В результате проведенных экспериментов были визуализированы течения, поля температуры и конверсии мономера, подтверждена гипотеза о возможности перестройки реакции с объемного типа развития на фронтальный под действием седиментации, выявлен стабилизирующий характер седиментации по отношению к потере механического равновесия реагирующим мономером, определен уровень перегрузок, при котором начинается стабилизация равновесия.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 01-03-96487) и Американского фонда гражданских исследований и развития (АФГИР) (грант № PE-009-0).