ИССЛЕДОВАНИЕ  АКУСТИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ  РАСТВОРОВ  ПОЛИСТИРОЛА  В  РАСТВОРИТЕЛЯХ  РАЗНОЙ  ПРИРОДЫ

Каирмагамбетов  Алмаз

ученик  11  класса  ГУ«Областного  казахско-турецкого  лицея-интерната  для  одаренных  юношей»,  Республика  Казахстан  г.  Павлодар

Качнова  Татьяна  Александровна

студент  4  курса,  кафедра  «Энергетика  и  металлургия»  ИнЕУ,  Республика  Казахстан  г.  Павлодар

Акрамов  Мухаммад  Бозорович

научный  руководитель,  канд.  ф.-м.  наук,  доцент  ИнЕУ,  Республика  Казахстан  г.  Павлодар

Е-mail :  Akramov60@mail.ru

Изучение  акустических  свойств  растворов  полистирола,  несомненно,  представляет  как  научный,  так  и  практический  интерес,  особенно  в  свете  широкого  использования  полистирола  в  производстве.  В  связи  с  этим  в  настоящей  работе  нами  импульсным  методом  ультразвука  (УЗ)  исследовано  растворы  полистирола  в  бензоле,  толуоле,  дихлорэтане  и  пиридине.  Измерения  проводились  на  установке,  достаточно  подробно  описанной  в  [1;  2].

Экспериментально  полученные  результаты  обработаны  с  помощью  аналитической  программы  «SigmaPlot».

На  рисунках  1—4  приведены  зависимости  акустических  характеристик  растворов  полистирола  (ПС  )  в  широком  интервале  температур  и  концентрации  полистирола.

Рисунок  1.  Зависимость  коэффициента  поглощения  волн  от  частоты  УЗ

Рисунок  2.  Зависимость  скорости  распространения  УЗ  волн  от  температуры

Как  видно  из  рисунка1  коэффициент  поглощения  ультразвуковых  волн  для  измеренных  растворителей  в  интервале  частот  от  6  до  150  МГц  не  зависит  от  частоты  ультразвуковых  волн.  Релаксационные  процессы  наблюдаются  в  растворах  полистирола  в  бензоле  (Рис.  3).

С  целью  определения  дисперсии  скорость  распространения  ультразвуковых  волн  измерялось  на  фиксированных  частотах  6,  10,  14,18,  22  и  26МГц.  На  этих  частотах  дисперсию  скорости  обнаружить  не  удалось  (Рис.  2).

Концентрационная  зависимость  скорости  распространения  ультразвука  при  различных  температурах  приведена  на  рисунке  4.  Из  рисунка  видно,  что  скорость  распространения  ультразвуковых  волн  с  повышением  концентрации  полимера  растет.  С  увеличением  температуры  скорость  ультразвуковых  волн  уменьшается  линейно.

Рисунок  3.  Зависимость  коэффициента  поглощения  от  частоты  УЗ  ПС  в  бензоле

Рисунок  4.  Зависимость  скорости  распространения  УЗ  от  концентрации  ПС  в  бензоле

Анализ  температурной  зависимости  скорости  распространения  ультразвуковых  волн,  плотности  и  адиабатической  сжимаемости  в  растворах  полистирола  показывает,  что  скорость  и  плотность  с  повышением  температуры  уменьшается  линейно,  а  сжимаемость  соответственно  растет.

Используя  теорию  соответственных  состояний,  нами  получены  эмпирические  уравнения,  связывающие  скорость  распространения  ультразвуковых  волн  с  температурой  и  концентрацией  полимера  в  растворителе.  Эмпирическое  уравнение  для  растворов  полистирола  в  бензоле,  толуоле  и  дихлорэтане  соответственно  имеет  вид:

С_б  =(1,833-0,833Т/313)  (3n-1257)  (1)

C_T  =(2,2-1,2-T/313)  (3,8n+1292)  (2)

C_д  =(2,33-1,33-T/313)  (4,6n+1139)  (3)

где  С_б,  С_Т  и  С_д  —  соответственно,  скорость  распространения  ультразвуковых  волн  в  растворах  бензола,  толуола  и  дихлорэтана. 

Используя  уравнение  адиабатической  сжимаемости 

β=1/ρc²           (4)

можно  получить  следующие  эмпирические  уравнения,  которые  связывают  коэффициента  адиабатического  сжимаемости  с  концентрацией  полистирола  в  растворителях:

  β_б=1/(ρ_б[(1,833-0,833  Т/313)(3n-1257)]²)                              (5)

  β_т=1/(ρ_т[(2,2-1,2  Т/313)(3,8n+1292)]²)               (6)

  β_т  =1/(  ρ_т  [(2,33-1,33  Т/313)(4,6n-1139)]²)                (7)

где  β_{б  ,}  β_т  ,  β_д  —  соответственно,  адиабатическая  сжимаемость  растворов  полистирола  в  бензоле,  толуоле  и  дихлорэтане.

Достоинство  эмпирических  уравнений  (1—7)  заключается  в  том,  что  зная  температуру  растворов,  можно  определить  скорость  ультразвука,  плотность  или  адиабатическую  сжимаемость  для  любых  концентраций  полистирола  в  бензоле,  толуоле  и  дихлорэтане.

Температурная  зависимость  скорости  распространения  ультразвуковых  волн,  плотности  и  адиабатической  сжимаемости,  по  нашему  предположению,  определяется  несколькими  факторами.  Прежде  всего,  это  кинетическая  энергия  теплового  движения  молекул.  Для  растворов  неполярного  растворителя  (бензол)  на  температурную  зависимость  влияет  также  увеличение  средних  межмолекулярных  расстояний,  нарушение  локальной  структуры  (ближнего  порядка)  и  изменения  относительного  числа  молекул  в  изомерных  состояниях  (цис.  и  транс).  Для  полярных  растворов  на  характер  температурной  зависимости  кроме  вышеуказанных  факторов  оказывает  существенное  влияние  электростатическое  взаимодействие  молекул.  Без  учета  поведения  других  параметров  (поглощение;  параметры,  релаксации,  сдвиговая  и  объемная  вязкость  и  т.  д.)  установить  степень  влияния  факторов  очень  трудно,  ибо  с  увлечением  температуры  степень  влияния  одних  усиливается,  а  других  —  ослабляется.

Известно,  что  с  повышением  температуры  или  с  уменьшением  плотности  уменьшается  степень  ближней  упорядоченности,  наблюдается  образование  более  или  менее  расширенных  промежутков  между  атомами.  Это  вызывает  уменьшение  сил  межмолекулярного  взаимодействия,  увеличение  коэффициента  сжимаемости  и  уменьшение  скорости  распространения  ультразвука,  что  и  наблюдается  в  наших  объектах  исследования  (Рис.  1—4).  Изменение  соотношения  изомеров  также  ведет  и  изменению  скорости,  плотности  и  сжимаемости,  так  как  плотность  упаковки  у  них  различна  и  каждому  из  сосуществующих  изомеров  соответствует  своя  свободная  энергия,  свой  молекулярный  объем,  свои  дипольные  моменты,  свои  диэлектрические  характеристики,  и  т.  д.  Следовательно,  с  изменением  температуры  или  концентрации  меняется  относительном  число  молекул,  находящихся  в  возбужденном  и  нормальном  состоянии,  чем  и  вызываются  аномальные  свойства  растворов  полимеров.  Если  действительно  скорость  распространения  ультразвуковых  волн,  плотность  и  сжимаемость  растворов  зависит  от  межмолекулярных  сил,  являющихся,  в  основном  электрическими  силами,  то  для  растворов  неполярных  растворителей  (бензол)  линейное  уменьшение  значения  скорости  и  плотности,  а  также  увеличение  адиабатической  сжимаемости  показывает,  что  с  повышением  температуры  силы  сцепления  между  молекулами  уменьшается,  т.  е.  расстояния  между  отдельными  молекулами  увеличиваются.  С  повышением  температуры  для  растворов  с  полярным  растворителем  —  дихлорэтаном  линейное  уменьшение  скорости  распространения  ультразвуковых  волн,  плотности  и  увеличение  адиабатической  сжимаемости  показывает,  что  с  повышением  температуры  силы  сцепления  между  молекулами  растворителя  с  полимером  увеличиваются.  Следовательно,  скорость  распространения  ультразвука,  плотность,  сжимаемость  и  характер  их  температурной  зависимости  в  значительной  мере  определяются  потенциальной  энергией  взаимодействия  молекул.  Таким  образом,  есть  все  основания  предполагать  с  существовании  связи  сжимаемости  и  скорости  звука  со  свойствами  и  строением  молекул.  Наши  экспериментальные  данные  позволяют  в  некоторой  степени  проверит  —  существуют  ли  принципиальные  особенности  в  зависимости  плотности,  сжимаемости  и  скорости  от  концентрации  полярных  и  неполярных  растворителей.

По  полученным  данным  можно  предположить,  что  одной  из  основных  причин  характера  зависимости  скорости  ультразвука  и  адиабатической  сжимаемости  от  концентрации  является  взаимодействие  между  макромолекулами  полистирола  с  ближайшими  молекулами  растворителя.  Так  как  силы  этого  взаимодействия  являются  короткодействующими,  то  нельзя  ожидать  заметного  влияния  молекул  растворителя  на  структуру  полистирола.

Список  литературы:

1.Акрамов  М.Б.,  Эрзолов  Б.,  Калонов  И.Б.  Применение  упругих  колебаний  звуковой  и  ультразвуковой  частоты  в  металлургии.  Материалы  респуб.  научно-методической  конференции  «Проблемы  и  перспективы  развития  образования  и  естественных  наук  в  Таджикистане»,  Душанбе  2010,  —  246  с.

2.Акрамов  М.Б.,  Низомов  З.  Молекулярные  механизмы  акустической  релаксации  в  растворах  полистирола.  Материалы  научного  симпозиума  «Актуальные  проблемы  спектроскопии  водородной  связи».  Душанбе,  2001.