Химия и Химики № 2 2015. Неньютоновская жидкость (как сделать хендгам)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Что такое неньютоновская жидкость, и чем она отличается от обычной - ньютоновской? Если вкратце, в ньютоновской жидкости вязкость не зависит от скорости течения. Даже очень малое воздействие на такую жидкость заставит ее течь. Течение большинства обычных жидкостей достаточно точно соответствует закону вязкости Ньютона, но есть и некоторые исключения. В основном, это растворы или взвеси разных полимеров - веществ с длинными молекулами. В некоторых случаях эти необычные свойства с пользой применяются в промышленности. Например, для создания смазочных материалов, предназначенных для работы в специфических условиях.

Существует много разных типов неньютоновских жидкостей, но мы не будем углубляться в теорию. Перед нами стоит конкретная задача - сделать хендгам (handgum, он же "жвачка для рук"). Особенность этой игрушки в том, что хендгам будет растекаться, как жидкость, если оставить его в покое, но вести себя как упругое тело при ударе. То есть жидковатая кучка резины будет неожиданно резко отпрыгивать от стола.

Скажем сразу: хендгам - "неньютоновская жидкость для игр" продается почти на каждом углу. Заводская игрушка изготовлена на основе силикона, поэтому она не высыхает. Но купить - это не наш путь. Беглый поиск рецептур показывает четыре основных методики: крахмал с водой, поливиниловый спирт с бурой, клей ПВА (поливинилацетатный) с бурой, силикатный клей со спиртом.

Силикатный клей со спиртом дает достаточно жесткий, неэластичный и быстро высыхающий гель эфиров кремниевой кислоты. Крахмальные хендгамы на видео выглядят склизкими и противными, из поливинилового спирта получаются прозрачные и симпатичные игрушки, но исходный реагент не слишком доступен, а вот с клеем ПВА можно попробовать.

Бура продается в аптеках в виде глицеринового раствора, возможно, ее удастся купить и в чистом виде - в рецептурном отделе аптеки. Из почти чистой буры состоят некоторые отравы от тараканов, и она иногда используется как флюс для всякого рода мужского рукоделия - пайки, сварки и прочей работы с металлом.

Клей ПВА в основном представляет собой водный раствор поливинилацетата. Поливинилацетат - эфир поливинилового спирта и уксусной кислоты. Это полимер с линейными молекулами, которые не слишком мешают течь клею. В условиях опыта (щелочная среда - см. ниже) поливинилацетат гидролизует до поливинилового спирта и ацетата натрия. Другими словами, исходным материалом является клей ПВА, но в процессе приготовления неньютоновской жидкости он переходит в поливиниловый спирт (возможно, не полностью - часть ацетатных групп может остаться в полимере, но не будем усложнять изложение).

Добавляя буру, мы создаем поперечные связи между нитями и образуем пространственную сетку. Она и придают жидкости свойства неньютоновской. В получившейся "резине" очень много влаги, сколько точно - это вопрос для отдельного исследования. В случае поливинилового спирта реакция выглядит так:

Краткое содержание эксперимента: буры надо брать 5-6% по массе от клея. Чем больше буры, тем жестче получится хегндгам (потому что будет больше поперечных связей между цепями поливинилового спирта).

Буру надо растворить в горячей воде. Воды брать примерно столько же, сколько и клея. Можно подкрасить пищевым красителем. В пищевой посуде лучше не делать, бура ядовита при попадании внутрь организма - не зря же ей травят тараканов. Если все идет правильно, от рук оно отмывается очень легко, от посуды тоже. Хранить такой хендгам лучше всего в герметичном пакете в холодильнике, чтобы не сох.

Я начал со взвешивания клея. Можно отмерить и на глаз. Клей был старый и с комками, но это не помешало. Наверное, самая удобная тара - это кофейный стакан из ламинированного картона. От него хорошо отлипает получившийся хендгам и его не жалко выкинуть, если эксперимент пойдет не так.

Бура была в порошке. Судя по отзывам, можно использовать аптечную в виде глицеринового раствора. С глицериновым раствором не пробовал, но проблем быть не должно. Порошок буры растворяется плохо и медленно. В холодной воде растворимость около 2г/100мл, в горячей 50-60г/100мл. Поэтому надо подогреть. Кипятить не обязательно. Раствор может быть слегка мутным, это не страшно. Главное, чтобы растворились крупные комки. После растворения раствор буры можно охладить. Если смешать клей с горячим раствором буры, он свернется за несколько секунд, и его будет трудно перемешать. Наверное, в некоторых случаях бура может выпасть в осадок при охлаждении - мы получаем пересыщенный в несколько раз раствор. Ни разу с таким не сталкивался, но это вполне возможно. В таком случае надо прогреть раствор еще раз и снова охладить (но не настолько, чтобы опять выпали кристаллы).

Без красителя можно обойтись. Зато если краситель имеет еще и свойства индикатора - можно наглядно наблюдать, какой рН имеют растворы.

На фотографии использован бромкрезоловый зеленый - это кислотно-основный индикатор. Он желтый в кислой среде и сине-фиолетовый в щелочной. Поливинилацетат - сложный эфир, и он может отщеплять уксусную кислоту в результате частичного гидролиза. Присутствие последней в клее вполне чувствуется по запаху. То есть раствор клея ПВА имеет слабокислую реакцию, рН на глаз в районе 4-5. Поэтому индикатор желтеет.

Раствор буры слабощелочной. Бура - соль слабой борной кислоты и сильного основания (гидроксида натрия). При гидролизе получается щелочная среда:

Na₂B₄O₇ + 7H₂O = 2NaOH + 4H₃BO₃

H₃BO₃ + OH^- < = > [B(OH)₄]^-

Приведенное уравнение условно, кроме того, гидролизу подвергается только небольшая часть растворенной буры, но в итоге в растворе все равно будет щелочь.

Именно благодаря этой щелочи поливинилацетат переходит в поливиниловый спирт, который и подвергается сшивке борной кислотой.

При смешивании клея и буры индикатор синеет.

Дальше химия почти заканчивается. Перемешиваем, сушим, испытываем прыгучесть и текучесть получившейся неньютоновской жидкости. Она высыхает на воздухе, поэтому хранить полученную смесь лучше в пакете в холодильнике.

Смотреть Видео (273 Мб, .avi )