Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 87
Текст из файла (страница 87)
составляет 10 — 10 ' Н/м~. Почти тот же порядок имеет модуль упругости при всестороннем сжатии и у обычных жидкостей. Однако из-за низкой вязкости их сдвиговая упругость может быть обнаружена только при быстрых испытани- П т ях, когда время воздействия приближается к периоду релакса и . оэ ому при обычных временах механических воздействий жидкости с низким значением ц ведут себя как вязкие среды.
Модуль упругости дисперсных систем с твердой и жидкой фазами определяется условиями взаимодействия частиц дисперсной фазы. Для пористых дисперсных структур глобулярного типа с фазовыми контактами между частицами модуль упругости системы (практически независимо от того, является ли вторая фаза жидкой или газообразной) определяется модулем упругости вещества твердой фазы, числом и плошадью контактов между частицами. Значения модуля 81102 упругости пористых кристаллизационных структур могут могут составить, например, !Π— 10 Н/м . Часто такие структуры обнаруживают хрупкость — склонность к необратимому разрушению без заметной предшествующей остаточной деформации.
Разрушение происходит при таком напряжении (пределе прочности), при котором пластическое течение еще не может наступить. 401 402 (Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Коллоидный журнал, 1971. Т. 33. )»й 3. Иную природу может иметь модуль упругости коагуляционных коллоидных структур с твердой и жидкой фазами, преимущественно в тех случаях, когда такая структура развивается в системе при относительно малом объемном содержании твердой фазы, при ее высокой дисперсности и, что особенно существенно, при резко выраженной анизометричности частиц.
Таковы, например, гидрогели оксида ванадия (У), структурированные каллоидные суспензии бентонитовых глин в воде. Было показано, что для таких систем упругость (эластич- 1 ность) при сдвиге может быть обусловлена возникающей в ходе деформирования системы большей или меньшей степенью соориентации частиц, т. е. уменьшением вероятности состояния системы и тем самым ее энтропии. При устранении нагрузки броуновское (вращательное) движение частиц восстанавливает их хаотическую ориентацию и вместе с тем форму тела. Подобно тому как проявление упругости в случае давления газа или осмотического давления имеет энтропийнуюприроду,сдвиговаяэластичностьтаюкеобусловленаизменением энтропии, в данном случае конфигурационной энтропии.
При этом модуль эластичности О„по порядку величины составляет О,„- л)(Т, где л — число частиц в единице объема, участвующих в броуновском движении (кинетически независимых единиц). Так, в малоконцентризрованной суспензии высокодисперсной глины при л и (3 — 5) 10 частиц/м имеем О - 10 Н/м .
2 3 3 2 Упругая деформация обнаруживается также для пен и концентрированных эмульсий. Величина напряжения сдвига определяется в этом случае ростом поверхности раздела фаз при деформировании частиц. Механические свойства отвержденных пен и других твердо- образных ячеистых структур определяются их дисперсностью, строением каркаса и совокупностью механических характеристик дисперсионной среды и дисперсной фазы.
Вязкость малоконцентрированных с в о б од н од и с п е р си ы х с и с т е м определяется в основном вязкостьюдисперсионной среды, которая может в зависимости от природы среды меняться в пределах многих порядков. Например, для газов вязкость составляет 10 Па с, для широкого спектра жидкоподобных тел— — 5 от10 до10 Па с,длястеколитвердыхтел — !О 10 Па сиболее. — 2 1О 15 23 А. Эйнштейном было показано, что введение в дисперсионную среду частиц дисперсной фазы (малой концентрации, т. е. в отсутствие их взаимодействия между собой) приводит, вследствие диссипации энергии при вращении частиц в поле сдвиговых напряжений дисперсионной среды, к увеличению вязкости Ч пропорциональному объ емной доле дисперсной фазы ф — ~ -с» — сз-,, -«- тц с» — — — с~:~ — — в потоке -хх--22-:~ Т,у)- -~-- »»»»» В»т ~» сз- в покое — — .0- -с» -« — с» Ч Чо Чо Рис 1Х 1а Ориентация анизомет где Ч, — вязкость чистой дисперсионной среды; для сферических частиц )1 = 2,5.
Следовательно, в отсутствие взаимодействия частиц дисперсная система с изометричными частицами ведет себя как н ь ют о н о в с к а я ж и д к о с т ь, но с несколько повышенной по сравнению с дисперсионной средой вязкостью. Если частицы дисперсной фазы анизометричны (эллипсоиды, палочки, пластинки) или способны деформироваться (капельки, макромолекулы), то при течении дисперсионной среды могут проявляться в зависимости от природы и размеров частиц дисперсной фазы различные тенденции. Сдвиговые напряжения наряду с приданием частицам вращения стремятся деформировать частицы и определенным образом ориентировать их в потоке.
Ориентирующему действию противостоит вращательная диффузия частиц дисперсной фазы. В результате степень ориентации частиц существенно зависит от скорости деформации (рис. 1Х-18), т. е. при малых скоростях течения частицы могут быть полностью разориентированы, при высоких — в большой мере ориентированы, что фиксируется оптическими методами (см. гл. У). Это приводит к изменению вязкости системы в зависимости от скорости течения (или напряжения сдвига). В таком слч ае уже недостаточно однои характеристики — постоянной ньютоУ новской вязкости Ч = т/у = йт/ду, и используют представление об эффективной вязкости Ч,ф = т/у = Ч,ф(у). При малых скоростях деформации (малых напряжениях сдвига) эффективная вязкость максимальна, затем она постепенно падает до некоторого минимального значения, не изменяющегося при дальнейшем увеличении напряжения и соответствующего течению системы с полностью ориентированными в потоке частицами (рис.
1Х-!9) . В других случаях, в частности при значительных деформациях макромолекул (конформационных изменениях) в потоке, возможно 403 1 Введение в воду некоторых полимеров может приводить к значительному увеличению скорости течения (из-за подавления турбулентности) и соответственно увеличению дальности полета мощных струй воды («скользкая вода»); зто явление находит применение при тушении сильных пожаров.
и обратное явление роста эффективной вязкости с увеличением скорости течения . Подобные явления не могут быть ! описаны простейшими реологическими моделями с постоянными параметрами. Системы, в которых наблюдается зависимость вязкости от скорости течения, называют аномальными или .'<Рз Ц>! не ньютоновским и жидкостяо ми. Изменения вязкости, связанные с ориентацией и деформацией частиц диспе сной фазы в малоконцентри ован- о це р нмне наеме н*нымнчае н ных системах (при отсутствии взаимодействия частиц), обычно сравнительно невелики. Более резко изменяется вязкость связнодисперсных систем с коагуляционной структурой. В этом случае можно рассматривать целый спектр состояний между двумя крайними состояниями системы: с неразрушенной и с полностью разрушенной структурой.
В зависимости от приложенного напряжения сдвига (скорости течения) реологические свойства структурированных дисперсных систем могут меняться от свойств, присущих твердообразным телам, до свойств, характерных для ньютоновских жидкостей. Это разнообразие в реологическом поведении реальной дисперсной системы с коагуляционной структурой описывается, по Ребиндеру, полной реологической кривой. На рис. 1Х-20 приведен пример такой зависимости у = у(т) для водной суспензии тонкодисперсного бентонита. Полная реологическая кривая может быть представлена также в виде зависимости эффективной вязкости т),ф = т/у от напряжения сдвига т (рис. 1Х-21). Кривая позволяет выделить четыре характерных участка.
При самых малых напряжениях сдвига система может вести себя как твердообразная с высокой вязкостью (модель Кельвина), что соответствует участку 1 Изучение релаксационных свойств коагуляционных структур, возникающих в таких умеренно концентрированных водныхдисперсиях бентонитовых глин, показало, что при малых на- ! В концентрированных еуспензнлх значительное повышение влзкоетн (лвленне реопекснн) прн увеличении скорости деформации может бысть связано с днлатансней — уменьшением плотности структуры прн ее деформнрованнн под действием прнложенннх напрлженнй сдвига; это хорошо заметно, например, на начальных стадиях размешнваннл крахмала в воде.
О тш !рп тв Р е 1Х 26 Полны р оложчее крнвал етрукгнрованной днепереной системы: о!во„= По, егв!В г) пип тшв тв т Рне ГХ-21. Полная реологнческал крнвал в координатах П пряжениях сдвига наблюдается упругое последействие, связанное с взаимной ориентацией анизометричных частиц, способных участвовать в тепловом движении, т. е. имеющее энтропийную природу.
Выс сокие значения вязкости обусловлены перетеканием дисперсион ой реды из уменьшающихся в размере ячеек в соседние через узкие зазоры и со скольжением частиц относительно друг друга. При достижении сдвиговым напряжением некоторого значения т1п, наступает область медленного вязкопластич еского течения в системе с почти неразрушенной структурой — область ползучести по Шведову (участок Л). На этом участке сдвиг осуществляется за счет флуктуационного процесса разрушения и последующего восстановления коагуляционных контактов, который под действием приложенных извне напряжений приобретает направленность. Такой механизм ползучести может быть рассмотрен по аналогии с представлениями о механизме течения жидкостей, развитыми Я.Б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
