4.1. Pha chế dung dịch tôi polyme
4.1.1. Nguyên liệu pha chế dung dịch tôi polyme
Như đã được đề cập ở phần mở đầu và chương 1, dung dịch tôi polyme dùng để nghiên cứu trong phạm vi luận án này là dung dịch với dung môi là nước và chất tan là hai loại polyme PVP và PAG.
Nước dùng để pha chế dung dịch tôi polyme
Để đảm bảo độ chính xác trong nghiên cứu, nước dùng để pha chế làm dung dịch tôi polyme trong luận án này được lấy từ nguồn nước lọc qua hệ thống lọc nước ăn RO của hãng Karofi. Nhiệt độ của nước khi pha chế khoảng 25oC 27oC, độ nhớt của nước trước khi pha đo được là 3,1mPa.s.
Polyme dùng để pha chế dung dịch tôi
Trạng thái ban đầu của polyme PVP là dạng bột màu trắng (hình 4.1a), cịn polyme PAG ở dạng dịch thể (hình 4.1b).
a) b)
Hình 4.1 Các loại polyme nghiên cứu làm dung dịch tôi: a) PVP và b) PAG
Xác định lượng nước trong polyme ở trạng thái ban đầu
Để đảm bảo độ chính xác về nồng độ khi pha chế dung dịch tôi polyme, trước khi pha chế tác giả tiến hành xác định lượng nước chứa sẵn trong các polyme khi mua về bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng - Thermogravimetry (TG) thơng qua thiết bị
Labsys Evo S60/58988 như mô tả trong mục 4.2.4 của chương này.
4.1.2. Công thức pha chế dung dịch tôi polyme PVP
Trên thị trường thương mại, polyme PVP ở dạng bột màu trắng có ngậm một lượng nhỏ H2O. Hàm lượng của H2O trong bột polyme PVP được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TG) với kết quả thu được thể hiện trong mục 5.8.3 của chương 5.
Giả sử ta gọi: n1% là hàm lượng của PVP tính theo % trong bột polyme nhập về. mp là khối lượng của PVP nguyên chất trong bột polyme.
mb là khối lượng bột polyme.
Khi đó khối lượng của PVP nguyên chất trong bột polyme sẽ được xác định theo công thức:
= % (4.1)
Nếu quy ước gọi: n2% là nồng độ tính theo % của dung dịch cần pha và mdd là khối lượng của dung dịch cần pha, thì khối lượng của PVP nguyên chất trong dung dịch sẽ được xác định theo công thức:
Do khối lượng của PVP là không thay đổi trước và sau khi pha nên ta có thể cân bằng hai phương trình (4.1) và (4.2). Kết quả cân bằng ta thu được:
%
= % (4.3)
Từ phương trình (4.3) suy ra khối lượng của bột polyme (mb) cần có để pha chế dung dịch có nồng độ n2% với khối lượng mdd là:
= %
% (4.4)
Gọi mH2O là khối lượng nước lọc RO cần có để pha chế dung dịch PVP với nồng độ n2% thì ta có mối quan hệ sau:
= + (4.5)
Suy ra: = − = − %
% = 1 − %
% (4.6) Dựa vào các công thức (4.4) và (4.6) ta xác định được lượng bột polyme và nước lọc RO cần thiết để pha chế thành dung dịch tơi PVP có khối lượng mdd với nồng độ n2%
4.1.3. Công thức pha chế dung dịch tôi polyme PAG
Khác với polyme PVP, trên thị trường thương mại, polyme PAG tồn tại ở dạng lỏng đã có chứa một lượng H2O. Hàm lượng của H2O trong polyme PAG cũng được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TG) ở mục 4.2.4 và kết quả thu được nêu trong mục 5.8.3 của chương 5.
Dựa vào kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của polyme PAG, ta xác định được nồng độ phần trăm về thể tích của PAG trong dung dịch ban đầu là n1%. Vì PAG tồn tại ở dạng dung dịch, nên theo tài liệu [100] ta có thể áp dụng bài tốn pha loãng dung dịch như sau: Giả sử ta cần pha một thể tích V2 của dung dịch với nồng độ n2% thì cơng thức pha lỗng tổng quát được biểu diễn như sau:
n1% × V1 = n2% × V2 (4.7)
Với: V1: Thể tích của dung dịch PAG ban đầu cần lấy để pha V2: Thể tích của dung dịch cần pha với nồng độ n2%
Từ công thức (4.7) ta xác định được thể tích của dung dịch V1 cần phải lấy để pha thành dung dịch tơi có thể tích V2 với nồng độ n2% như sau:
= %
% (4.8)
Như vậy thể tích của H2O cần lấy để pha được dung dịch tơi có nồng độ n2% sẽ là:
VH2O = V2 – V1 (4.9)
4.1.4. Tính tốn thể tích dung dịch tơi
Như đã được phân tích ở chương 2, nhiệt độ của môi trường tôi ảnh hưởng lớn đến tốc độ nguội của chi tiết tơi. Vì vậy để khống chế được nhiệt độ của môi trường tôi khi tôi một chi tiết máy có khối lượng mct thì cần phải tính tốn xác định được lượng dung dịch tôi tối thiểu cần thiết để đảm bảo nhiệt độ của dung dịch tôi không vượt quá một giá trị xác định T2.
Gọi Qct là nhiệt lượng do mẫu tôi tỏa ra và Qdd là nhiệt lượng mà dung dịch tôi thu vào. Theo định luật bảo tồn năng lượng ta có:
Qct = Qdd (4.10)
Nếu quy ước:
Cct và Cdd lần lượt là nhiệt dung riêng của chi tiết và của dung dịch tôi. mct và mdd lần lượt là khối lượng của chi tiết tôi và của dung dịch tôi, và
T1, Tt, Tn lần lượt là nhiệt độ ban đầu của dung dịch, nhiệt độ tôi của chi tiết và nhiệt độ của chi tiết khi nhấc ra khỏi dung dịch sau khi kết thúc q trình tơi chi tiết
Cct × mct × (Tt – Tn) = Cdd × mdd × (T2 – T1) (4.11) Như vậy khối lượng của dung dịch tôi tối thiểu cần thiết để sau khi tôi nhiệt độ của dung dịch không được vượt quá giá trị T2 là:
= . ( )
( ) (4.12) Trong đó khối lượng của chi tiết tôi sẽ được xác định theo công thức dưới đây:
mct = Vct × ρct (4.13) Với ρct là khối lượng riêng của vật liệu chi tiết tơi và Vct là thể tích của chi tiết tơi. Thể tích của chi tiết tơi (Vct) được xác định bằng tính tốn hình học hoặc bằng các phần mềm đồ họa 3D dựa vào các kích thước của chi tiết. Trong luận án này, tác giả sử dụng phần mềm thiết kế 3D là Solidwords 2016.0 để tính thể tích và khối lượng của vật tơi (phụ lục 1).
Do dung dịch tơi gồm có 2 cấu tử là nước và polyme nên theo tài liệu [101] thì nhiệt dung riêng của dung dịch tơi được xác định bằng cơng thức sau:
Cdd = m1 × C1 + m2 × C2 (4.14) Trong đó m1, m2 lần lượt là tỉ phần phần trăm khối lượng của polyme và của nước; còn C1, C2 tương ứng là nhiệt dung riêng của polyme và của nước.
Thay các giá trị Cdd, mct tìm được vào cơng thức (4.12) ta sẽ tính tốn xác định được khối lượng tối thiểu cần thiết của dung dịch tơi (mdd) để khi tơi một chi tiết có khối lượng xác định là mct thì nhiệt độ của dung dịch tơi sẽ khơng vượt quá giá trị T2. Nếu biết khối lượng riêng của dung dịch tôi (ρdd) thì có thể tính tốn được thể tích của dung dịch tôi (Vdd) theo công thức dưới đây: