Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Френкелем и Г. Эйрингом. В результате броуновского движения частицы, объединенные в единую коагуляционную структуру, испытывают колебания относительно их положения в контактах. Вследствие тепловых л некого ы р е контакты разрушаются, но при этом возникают контакты между частицами вдругих местах. В среднем число контактов в сформировавшейся структуре остается постоянным во времени и близким к максимальному.
В отсутствие действия напряжения сдвига аз шение и восстано вление контактов в любом сечении оказываются приложении же внешравновероятными по всем направлениям. При приложе него поля напряжений разрушение и восстановление контактов приобретают направленность, и наблюдается медленный макроскопиче- 405 ский сдвиг, т. е. ползучесть. Ползучесть имеет место в некотором интервале значений т, при которых практически сохраняется одинаковое и относительно небольшое число разрушаемых и восстанавливаемых контактов.
Этот участок Пможет быть описан, как и последующий участок П1, моделью вязкопластического течения с малым предельным напряжением сдвига т$па и очень высокой дифференциальной вязкостью т)ш,. т ~~а Чшат где т)н„— котангенс Угла наклона сРн кРивой на Участке П к оси абсцисс. Соответственно и переменная (эффективная) вязкость т 1 Чэф ° Чн~в ° имеет на этом участке высокие значения.
В целом для участков 1 и П, отвечающих малым напряжениям сдвига, характерны небольшие деформации у порядка долей процента. При длительном воздействии напряжения сдвига, как это имеет место в ряде геологических процессов, например при движении ледников, могут постепенно развиваться большие по величине деформации. При достижении некоторого напряжения сдвига тел равновесие между разрушением и восстановлением контактов смещается в сторону разрушения тем сильнее, чем выше значение т. Этой области течения энергично разрушаемой структуры отвечает участок П1 вязко- пластического течения (см.
рис. 1Х-20), который может быть описан моделью Бингама с существенно иными значениями параметров, т. е. относительно большим предельным напряжением сдвига тел и невысокой дифференциальной бингамовской вязкостью Чв. т — тв= Чвт. Бингамовское предельное напряжение сдвига т', соответствующее началу интенсивного разрушения структуры, может рассматриваться как характеристика ее прочности (на сдвиг). Смещение равновесия в сторону разрушения контактов приводит к падению (иногда на много порядков) эффективной вязкости; т 1 у 1-(~,/ ) Для рассматриваемых суспензий бентонитовых глин значения эффективной вязкости меняются в пределах нескольких порядков, например от 10' до - 10 ' Па с.
После полного разрушения структуры дисперсная система в условиях ламинарного течения проявляет свойства ньютоновской жидкости (см. рис. 1Х-20, участок р2) с постоянной наименьшей вязкостью Чяаа (см. рис. 1Х-21). Вязкость Чваа такой системы повышена по сравнению с вязкостью дисперсионной среды в большей степени, чем это соответствует уравнению Эйнштейна, поскольку концентрация не очень мала и частицы взаимодействуют. При последующем увеличении напряжения сдвига наблюдается отклонение от уравнения Ньютона, связанное с возникновением турбулентности.
Раннее появление турбулентного течения в некоторых случаях не позволяет реализоваться участку УК Реологические характеристики структурированных дисперсных систем могут существенно меняться в условиях вибрационных воздействий. Вибрация, способствуя разрушению контактов между частицами, приводит к разжижению системы при более низких напряжениях сдвига. В результате кривая зависимости у(т) смещается влево (рис. 1Х-22). В современной технике вибрационные воздействия широко используют для управления реологическими свойствами разнообразных дисперсных систем: концентрированных суспензий, паст, порошков.
Реологическое поведение структурированной тиксотропной дислерсной системы во многом зависит оттого, в какую сторону сдвинуто равновесие процессов разрушения и восстановления контактов между частицами. Поскольку скорость восстановления контактов, связанная с броуновским движением частиц, конечна, установление равновесия требует определенного времени. Соответственно самопроизвольное тиксотропное восстановление структуры после механического разрушения происходит во времени. Вследствие полного разрушения структуры на участке И' ее прочность, т. е. предельное наряжение 43 сдвига т', резко падает (в пределе до нуля), и система приобретает ярко выраженные жидкообразные свойства.
Рис. И-22. Влияние вибраВ покое система со временем восстанав„нионных возлействий на реологичесиие свойства ливает свою прочность, т. е. твердообразные, гиттрнрованной свойства (рис. 1Х-23). При этом прочность неронов системы 407 (предельное напряжение сдвига т«) полностью восстановленной структуры не зависит от числа циклов ее разрушения.
! Время, необходимое для полного тиксо1 тронного восстановления предварительно полностью разрушенной структуры, называют периодом тикеотропии гз. Исо т пытания системы можно проводить и в ряа. (х-Зз. зээиаямаагь орал«я»- условиях, когда не успевает установиться ного напряжения сдвига «" аг динамическое равновесие между проярамаця г~ааагэцояяацяягя"ао цессами разрушения и восстановления контактов.
При этом механические свойства системы будут зависеть от того, на каком этапе ее существования проводятся измерения: при полном или частичном разрушении структуры, сразу же или по прошествии некоторого времени после разрушения. В практике работы а тякаатроцными системами иногда иацояьзуют не равновеа( нные) значения реояогячааких характеристик, а некоторые условные (кажу- о аз еняятикаошяеая) значения, например при заданном времени цааяе цепного разруцг троцнаобратимой структур й уятуры, В отлаяьяых случаях яля достижения равновесия межлу азр)"-"еняя и восстановления контактов необходимо очень длительное процессами разр;""ен ется аяизовать в я«формирование аист«мы а постоянной скоростью, чго не всегда удается реал лабораторном эксперименте я там более в практических условиях. Анализ полной реологической кривой показывает, как сложное механическое поведение системы может быть расчленено на несколько участков и на каждом из них представлено простой моделью, использующей лишь один-два постоянных параметра.
Поэтому такие разные по молекулярному механизму явления, как ползучесть (по Шведову) и вязкопластическое течение (по Бингаму), можно описывать одной и той же моделью, но с существенно разными параметрами. Универсальная роль макрореологии и состоит в таком расчленении сложного поведения на ограниченное число простых, имеющих конкретные количественные характеристики.
В свою очередь, раскрытие механизма каждого из этих элементарных поведений требует привлечения молекулярно-кинетических представлений и может быть охарактеризовано как микрореологический подход. Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие роль тиксотропии дисперсных систем в технике и в природе, Тиксотропные свойства бентонитовых глин обусловливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых промывочных растворов 408 в нефтедобывающей промышленности.
При работе бура такие растворы ведут себя как типичные жидкости. Поток бурового раствора, нагнетаемого в скважину, выносит на поверхность грубодисперсные частицы выбуренной породы. При остановке бура (например, в случае необходимости удлинения труб) возникает опасность быстрого оседания (седиментации) выбуренной породы и в результате заклинивания бура, т. е. серьезной аварии. Тиксотропные свойства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуляционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствующей их оседанию.
При возобновлении работы бура коагуляционная структура глинистых частиц легко разрушается, и система снова приобретает жидкообразные свойства. Вместе с тем учет тиксотропных свойств грунтов, особенно оводнеиных глинистых грунтов, чрезвычайно важен при разработке технических условий и строительстве зданий, мостов, при прокладке дорог. Тиксотропные свойства структуры пигментов в масляных красках обусловливают технические свойства этого широко используемого материала. Так, перемешивание обеспечивает разрушение коагуляционной структуры пигмента и легкоподвижность материала и тем самым создает возможность нанесения его требуемым тонким слоем. Быстрое восстановление структуры препятствует стеканию краски с вертикальной поверхности.
Учет закономерностей структурообразования необходим и при введении наполнителей в каучуки и другие полимерные материалы. Если задача состоит в достижении высокой прочности и твердости материала (в ущерб его эластичности), то выгодно использовать возможно большее наполнение, т. е. наиболее плотную упаковку частиц. Для этого надо воспрепятствовать возникновению рыхлой пространственной сетки частиц, т. е. ослабить их взаимное сцепление, располагая вместе с тем хорошим сцеплением между частицами и матрицей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
