Влияние электрического поля на толщину тонких пленок водных и формамидных растворов NaCl и CuSO4 в системе-модель прямой эмульсии в гидрофильном капилляре

Работа принадлежит к проводимому на кафедре в течение уже многих лет направлению — изучению действия внешнего постоянного электрического поля (ВПЭП) на поведение моделей прямых эмульсий в гидрофильных капиллярах. Модель составлена из прозрачного гидрофильного капилляра правильной формы (цилиндрической и постоянного сечения), заполненного водным раствором электролита и одной дисперсной частицей неполярного флюида в форме короткого цилиндрического столбика (так же постоянного сечения), ограниченного по торцам выпуклыми менисками — полусферамимежду поверхностями капилляра и цилиндрической частью поверхности столбика находится тонкая (~ десятки нм) плёнка полярной жидкости (далее просто «плёнка» конкретной жидкости). Исследовались эмульсии как содержащие, так и не содержащие ПАВ. Настоящая работа относится к рабочим системам, не содержащим ПАВ (а также каких-либо других эмульгаторов, влияющих на подвижность границы раздела флюидов).

Актуальность постановки научной темы по влиянию внешнего постоянного электрического поля на увеличение толщины плёнок растворов неорганических солей в полярной жидкости, образующихся в указанной модели, прямым образом соотносится с большим количеством важнейших практических задач, связанных с проводимостью реальных капиллярно-пористых тел, насыщенных эмульсиями, транспортом в них дисперсной фазы, деформацией последних. Это, например, задачи создания элементной базы, основанной на электрострик-ционных явлениях в дисперсиях двух флюидов, находящихся в капиллярезадачи медицины и биологии — воздействие электрических полей на проводимость биологических мембран, целевое введение лекарств, изменение положения капли или пузырька в капиллярах и т. п.- фармацевтической промышленности — производство мазей и эмульсийгеологоразведочных и поисковых работ на нефть и газ, разработки методов устойчивой идентификации продуктивных коллекторов геофизическими и комбинированными геофизическими способами и предварительной химической обработки пласта для проведения исследований по схеме каротаж-воздействие—каротажагротехники (в принципе задачи, близкие к перечисленным выше), создания промышленных эмульсий.

Подвижность границы раздела в системах из двух флюидов, не содержащих ПАВ («рабочих системах» диссертации), настолько существенно осложняет научные исследования как в экспериментальном плане, так и в теоретическом, что в общем случае (любых капиллярно-пористых тел) невозможно в количественном плане даже в самом грубом приближении ставить задачу научного подхода к постановке и решению проблемы: предсказания результатов экспериментаобоснования и доказательства предлагаемого механизма, а также сил (потоков), определяющих процессы, которые имеют место во время действия поля и т. д.

Во всем мире в подавляющем количестве научно-исследовательских работ, авторы которых пытаются подойти к решению проблемы с получением четких закономерностей, в качестве конкретной («рабочей») системы принимается модель, полностью соответствующая использованной в данной диссертационной работе.

Несмотря на использование такой «упрощенной» системы, какой является данная модель, изучать поведение двух флюидов в капилляре достаточно сложно. Получение четких ответов в эксперименте затрудняет значительная лабильность поведения систем1, отмеченная в работах [1—5]. По теме диссертации в литературе описано лишь очень небольшое количество экспериментальных данных (отдельные эпизодические случаи, описывающие поведение только данных конкретных систем), недостаточное для выявления обобщенных зависимостей значений толщины пленки от параметров рабочих систем.

В 1986 году Н. Н. Красиковым и Д. В. Тихомоловым [6, 7] был разработан и описан оптический метод, позволяющий при наблюдении в поляризационный микроскоп однозначно фиксировать: а) наличие водной фазы между внутрен.

1 «Эффекты здесь настолько капризны, что часто исследователи оказываются обескураженным при постановке простого эксперимента и приступая к разработке теоретических моделей, которые бы достаточно строго соответствовали экспериментам» (Тейлор [1]). ней поверхностью капилляра и поверхностью столбика неполярного флюидаб) форму столбика (правильный цилиндр, ограниченный с торцов полусферами) в отсутствии электрического поля и при его наличии, в) изменения геометрических параметров пленки и столбика, обусловливаемые воздействием поля. Четко фиксировался факт значимого увеличения толщины водной пленки при наложении на рабочую систему электрического поля. Метод дал очень важную информацию о характерных особенностях строения и поведения обсуждаемых «модельных» рабочих систем. Однако с помощью этого метода невозможно получить количественные ответы о значениях толщины пленки. Дело в том, что наблюдаемый в методе оптический эффект имеет предел для оценки толщины пленки.

Естественным продолжением изучения поведения системы под током явилась идея постановки экспериментального исследования зависимостей проводимости сопротивления) рабочей системы при изменении напряжения на капилляр (при обеспечении равновесного состояния системы при каждом конкретном напряжении) [8 — 10]. Тогда же было предложено уравнение связи сопротивления капилляра в зависимости от геометрических параметров всех его частей [10]. Уравнение представляет собой запись закона Ома для сопротивления капилляра в целом через сумму слагаемых, соответствующих всем трем участкам капилляра: вне капли, в пленке и в области менисков. Уравнение, в принципе, позволило рассчитывать толщину пленки воды, соответствующую данной конкретной экспериментальной системе, но не предсказывать ее. Результаты этого исследования так же, как и оптического метода, подтвердили факт увеличения толщины пленки при воздействии внешнего поля и дали возможность количественно продемонстрировать весьма значительное увеличение толщины пленки. Соответствующие эксперименты в значительной степени осуществлялись на кафедре. Однако до постановки данной диссертационной работы были изучены только отдельные системы, причем при малой вариации рабочих параметров, что позволяло доказать факт увеличения толщины пленок, оценить толщину пленок количественно, но не позволяло выявить скольконибудь обобщенные зависимости значений толщины от переменных рабочих систем.

Сама по себе постановка экспериментальной работы в диссертации, позволяющая выявить обобщенные зависимости значений толщины пленки (электрического сопротивления рабочей системы) от переменных системы при широкой их вариации, представляет определенный научный интерес. Кроме указанной выше научной значимости постановки всестороннего экспериментального исследования получение большого, многогранного и систематизированного количества экспериментальных данных представляет также интерес с позиции существующих теоретических представлений в следующих областях научных исследований: самых разных коллоидно-химических процессов и явлений, обусловленных воздействием электрического поля на капилляры, заполненные двумя флюидамиповерхностных свойств и расклинивающего давления в соответствующих рабочей системе тонких пленках полярной жидкостимикроскопической теории поляризации жидкостей, состоящих из полярных молекул, количественных характеристик ориентации полярных молекул в зависимости от характеристик действующих на молекулу сил.

Получение строгих количественных решений и их анализа значительно затруднено из-за сложности физико-механического представления системы, вида полученных формул, их достаточно точного обсчета методами вычислительной математики.

Насколько мы знаем, в литературе опубликована лишь одна гипотеза о причинах увеличения под током толщины пленки [9, 10]. Основная суть гипотезы сводится к следующему. При наложении ВПЭП на исходную равновесную (в отсутствии поля) систему происходит увеличение давления в пленке. Процесс обусловлен наличием неоднородного электрического поля в полярной фазе в области менисков и воздействием его на диполи растворителя дисперсионной среды. На полюса сколько-нибудь ориентированного по полю диполя действуют разные по величине и направлению электрические силы. Но любой диполь характеризуется не только зарядами, а представляет собой систему связанных материальных точек с локализованными в ней зарядами. Это значит, что на любой диполь здесь действует сила — результирующая действия электрических сил на различные точки системы (пондеромоторная). Под действием данной силы ориентированный ВПЭП диполь перемещается в направлении увеличения напряженности поля. Все диполи каждого мениска перемещаются из мениска в пленку. Из-за замкнутости объема пленки встречное движение диполей растворителя из обоих менисков в пленку приводит к появлению в ней дополнительного давления («расклинивающего»), и, следовательно, к движению боковой поверхности столбика в направлении к оси капилляра, причем до тех пор, пока ответная механическая реакция столбика капиллярное давление) не позволит дальше изменяться его геометрическим параметрам.

На основе гипотезы автором была разработана и опубликована теория, содержащая математическое решение задачи связи давления в пленке равновесной толщины пленки) с большим количеством переменных рабочих систем, получены соответствующие уравнения.

До начала нашей диссертационной работы проверка гипотезы и апробация данной теории экспериментом были проведены лишь на очень малом количестве рабочих систем и практически при предельно малой вариации параметров. Кроме указанного выше научного интереса постановки всестороннего экспериментального исследования представлялось заслуживающим внимания проверка единственных опубликованных в литературе гипотезы и соответствующей ей теории, а также перспектива использования этих результатов с целью дальнейшего уточнения, корректировки и развития заложенных в основание гипотезы моделей. Научный интерес постановки темы диссертации соотносится также с развитием и уточнением существующих в настоящее время представлений о взаимосвязи определенных электрических, реологических и физических свойств исследуемых систем с наблюдаемым в эксперименте феноменом.

Таким образом, основной целью работы являлось исследование влияния электрического поля на увеличение толщины тонких пленок растворов неорганических солей в полярной жидкости, образующихся в гидрофильном стеклянном капилляре, заполненном раствором полярной жидкости и одним столбиком неполярного флюида.

Достижение указанной цели осуществлялось решением следующих задач:

1) комплексным экспериментальным исследованием влияния напряжения электрического поля на концах капилляра, созданного внешним источником питания, геометрических параметров рабочей системы, природы полярного флюида и природы и концентрации неорганического электролита на изменение равновесного значения электрического сопротивления стеклянного капилляра, заполненного водными и формамидными растворами ИаС1 и Си8С>4 и одним столбиком октана;

2) на основе результатов эксперимента расчетом толщины пленки по закону Ома как функции перечисленных переменных и параметров электрического поля во всех рабочих системах;

3) проверкой выдвинутой ранее теории [9, 10], основанной на описанной выше гипотезе, с использованием её уравнений путем проведения анализа соответствия экспериментальных данных, полученных в комплексном исследовании, предсказаниям теории;

4) расчетом по уравнению теории [9, 10] величины характеристического параметра — и^, представляющего собой отношение среднего диполь-ного момента молекулы растворителя в направлении поля к ее постоянному дипольному моменту и пропорционального средней ориента-ционной поляризуемости молекул постоянного диполяанализом соответствия рассчитанной величины параметра и> значениям близких по физическому смыслу параметров, приведенных в литературе.

Результаты работы, отмеченные выше в выводах 3−5, дают основание сделать заключение, что выявлена новая, возникающая при наложении внешнего электрического поля составляющая расклинивающего давления, дополняющая сумму составляющих, выделенных в теории ДЛФО. Данное заключение свидетельствует о развитии принципиально нового способа количественного определения проекции ориентационной составляющей электрического диполя полярной жидкости на направление электрического поля.