Реология коллоидных систем

Реология коллоидных систем

Коллидные  системы обладают  определенными механическими свойствами – вязкостью, платсинчостью, упругостью Эти свойства связаны со структурой этих систем, поэтому их называют структурно-механическими свойствами или реологическими (реология – наука о течении тел или, в более общем виде,  о процессах деформации, развивающихся во времени).

Согласно Ребиздеру П.А., структуры можно разделить на коаглуяционные (тиксотропно-обратимые) и конденсационно-кристаллизационные (наобратимо-радрушающиеся). Полная коагуляция с образованием осадка достигается при полной потере устойчивости частиц. Если же происходит неполная астабилизация, т.е. фактор устойчивости будет снят лишь с некоторых участков поверхнсоти частиц, то частицы будут слипаться именно этими участками, образуя пространственную сетку – гель, в петлях которой будет находиться дисп.среда.

Если дестабилизация произошла неполностью, то в местах контакта частиц остаются слои жидкости, препятствующие непосредственному контакту поверхностей. Образуется малопрочная но пластичная структкра. Чем толще прослойка жидкости, тем более жидкообразна система. В противном случае осуществляется непосредственный контакт поверхностей частиц и образование хрупкой и наиболее прочной структуры.

На гелеобразование влияют факторы:

1. концентрация частиц – с ростом концентрации увеличивается число образующихся контактов и скорость их установления.

2. размер частиц – умегньшение размера часитц при постоянной концетрации частиц способствует гелеобразованию

3. форма частиц – образование лиогеля облегчается при повышении анизодиаметричности частиц и наличия у их концов ребер и углов.  В этих местах сольватные оболочки и ДЭС наиболее тонкие.

4. температура – с повышением температуры скорость гелеобразования возрастает, однако увеличивается и интенсивность броуновского движения, что может привести к разрушению геля до состояния неструктурированной жидкости.

Рекомендуемые материалы

5. Механическое воздействие – перемешивание обычно разрушает гель, но в случае сильно анизодиаметричных частиц (пятиокись ванадия) и высокой неустойчивости системы меделенное вращение может провоцировать гелеобразование – явление реопексии. (гелеобразование при движении).

Одно из практически важных свойств коагуляционных структур является тиксотропия.

Тиксотропия – способность структур после их разуршения. Происшедшего в результате какого-нибудь мех-воздействия, самопроизвольно восстанавливаться во времени. Т.е. это способность к изотермическому переходу золя в гель. Такой переход может наблюдаться как в покое, так и при постоянном движении жидкости или при плавном переходе от более быстрого движения к более медленному – при этом возрастает вязкость и прочность.

Другим свойством коагуляционных структур является ползучесть – способность к медленному развитию значительных осточных деформаций, проктичеси без заметного разрушения пространственной сетки. Это явление возможно в случае когда скорость разрушения пространственной сетки меньше скорости восстановления межчастичных связей. В противном случае система теряет свою прочность и приобретает текучесть.

Следующее свойство коагуляционных структур – синерезис. Синерезис – самопроизовльное уменьшение размеров геля с одновременным выделением наружу дисп.среды, содержащейся в петлях геля. Причина синерезиса в том, что при гелеобразовани между элементами структуры образуется сравнительн малое число контактов, не отвечающее предельно уплотненному состоянию структуры. В результате перегруппировки частиц, обусловленной тепловым движение, число этих контатов увлеичивается, что неизбежно приводит к сжатию геля и к выпрессовыванию из него дисп.среды.  Синерезису способствуют все факторы, способствующие коагуляции – повышение конц. Электролита, рост температуры и т.д.

Системы с коагуляционной структурой, из которых высушиванием была удалена дисп.среда, способны  поглощать эту среду, находясь с ней в контакте. Поглощение среды сухим гелем – ксерогелем – обусловлено капиллярным всасыванием и набуханием геля вследствие возникновения расклинивающего давления и заполнения образовашихся промеждутков средой. Набухание ксерогелей сопровождается резким понижением прочности, ростом пластичности тела.

Конденсационно-кристаллизационные структуры возникают за счет образования валентных связей между частицами (в результате реакций конденсаций как в жидком стекле, либо в результате сращивания кристалликов) и не могут проявлять тиксотропии и пластичности. На образовании связей и на свойствах этих систем влияет присутствие модификтаоров и ПАВ, изменяющих форму и размеры кристалликов, а также условия их срастания.

Реология коллоидных систем

Течение низкомолекулярных жидкостей не содержащих коллоидные примеси подчиняется закону Ньютона, отражающего зависимость внутреннего трения F от давления (приложенной извне силы).

где F – сила внутреннего трения

S – площадь слоя жидкости, к которому приложена внешняя сила

h - коэффициент пропорциональности, называемый вязкостью или коэффициентом вязкости.

du/dx – градиент скорости между слоями.

Величина 1/h - текучесть, характеризует подвижность жидкости под влиянием внешних воздействий.

Распределение скоростей в жидкости между двумя слоями1 и 2, находящимися на расстоянии х.

Ламинарное течение жидкости  описывается уравнением Пуазейля:

где v – объемная  скорость истечения;

         r – радиус трубки;

         p – разность давлений на обоих концах трубки;

         h - вязкость жидкости

         l – длина трубки

Бесплатная лекция: "Этика делового общения в учении Конфуция" также доступна.

Оба эти уравнения выполнимы лишь для условия ламинарного течения жидкости, т.е. в отсутствие турбулентности, когда слои жидкости текут с разной скоростью и не перемешиваются. Переход ламинарного потока в турбулентный  происходит при условии превышения числа Рейнольдса 2300, где число Рейнольдса есть безразмерное отношение:

где d – плотность жидкости.

Течение золей отличается от течения чистых жидкостей или истинных растворов. В первую очередь, присутствующие в растворе коллоидные частицы сужают пространство, занятое жидкостью в потоке, что увеличивает градиент скорости в нарпавлении, перпенидкулярном течению жидкости. Это приводит к обязательному росту вязкости жидкотси.

Во вторых, наличие коллоидных частиц искривляет путь отдельных молекул жидкости и способствует перемешиванию отдельных слоев, приводя к появлению ранней турбулентности при меньших числа Рейнольдса, чем для жидкостей, не содержащих коллоидных частиц.

В третьих, коллоидные растворы обычно не подчиняются уравнениям Ньютона и Пуазейля, предполагающих линейный характер зависимостей. Так вязкость коллоидных растворов часто зависит от скорости жидкости, при которой проводилось измерение, от конструкции прибора. Особенно велики отклонения для коллоидных систем, проявляющих признаки связанодисперсных систем. В этом случае вязкость раствора может меняться непропорционально прилагаемому давлению. Особенно это отчетливо проявляется в золях с анизодиаметричными частицами, склонных ориентироваться по направлению действия нагрузки, что сопровождается падением вязкости. Вязкость будет при этом тем ниже, чем выше степень ориентированности частиц в потоке. С дальнейшим ростом давления, вязкость снова повышается, что соотвествует переходу ламинарного течения в турбулентный. Аналогичная картина наблюдается для золей, в которых частицы способны к пластическим деформациям, а так же  в растворах высокомолекулярных соединений, в которых глобулы способны разворачиваться по направлению потока. Во всех случаях говорят об эффективной вязкости, а коллоидный раствор, проявляющий нелинейность зависимости вязкость – давление относят к аномальным или неньютоновским жидкостям.