Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Изменения вязкости, связанные с ориентацией и деформацией частиц дисвая свободнодисперсной систе- персной фазы в малоконцентрированмы с вниз етр ными час а 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 вьщелить 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 водных дисперсиях бентонитовых глин, показало, что при малых на- ' В концентрированных суспензиях значительное повышение вязкости (явление реопексии) при увеличении скорости деформации может быть связано с дилатансией — уменьшением плотности структуры при ее деформировании под действием приложенных напряжений сдвига; зто хорошо заметно, например, на начальных стадиях размешивания крахмала в воде.
ч ° т тшв тв тш» <рл тв Рис. 1Х-21. Полная реологическая кри- вая в координатах Ч вЂ” т Рис. 1Х-20. Полная реологическая кривая структированной дисперсной систенн; с$йиа = Ч„а, сГари = в, пряжениях сдвига наблюдается упругое последействие, связанное с взаимной ориентацией анизометричных частиц, способных участвовать в тепловом движении, т. е. имеющее энтропийную природу. Высокие значения вязкости обусловлены перетеканием дисперсионной среды из уменьшающихся в размере ячеек в соседние через узкие зазоры и со сколыкением частиц относительно друг друга. При достижении сдвиговым напряжением некоторого значения т$ь наступает область медленного вязкопластического течения в системе с почти неразрушенной структурой — область ползучести по Шведову (участок П).
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. Френкелем и Г. Эйрингом. В результате броуновского движения частицы, объединенные в единую коагуляционную структуру, испытывают колебания относительно их положения в контактах.
Вследствие тепловых флуктуаций некоторые контакты разрушаются, но при этом возникают контакты между частицами в других местах. В среднем число контактов в сформировавшейся структуре остается постоянным во времени и близким к максимальному. В отсутствие действия напряжения сдвига разрушение и восстановление контактов в любом сечении оказываются равновероятными по всем направлениям. При приложении же внешнего поля напряжений разрушение и восстановление контактов приобретают направленность, и наблюдается медленный макроскопиче- 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 П может быть описан, как и последующий участок Ш, моделью вязкопластического течения с малым предельным напряжением сдвига т1п, и очень высокой дифференциальной вязкостью цш».' т"ль = ЧлИ где т)ль — котангенс угла наклона ~рп кривой на участке П к оси абс- цисс. Соответственно и переменная (эффективная) вязкость т 1 Ч»ф . Чл1» ° 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 т*в равновесие между разрушением и восстановлением контактов смещается в сторону разрушения тем сильнее, чем выше значение т. Этой области течения энергично разрушаемой структуры отвечает участок Ш 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 т»в и невысокой дифференциальной бингамовской вязкостью пв. 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 Чф= =Чв у 1 — (т, /т) 406 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 И) с постоянной наименьшей вязкостью 7) ысо (см. рис. 1Х-21). Вязкость т) вив 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 2К 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 дисперсной системы во многом зависит от того, 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 1У ее прочность, т. е. предельное наряжение,' ф / сдвига т', резко падает (в пределе до нуля), и т система приобретает ярко выраженные жидкообразные свойства. Рис. $Х-З2. Влияние вибра- В покое система со временем восстанав- реологичесиие свойства ливает свою прочность, т. е. твердообразные структурированноя лис свойства (рис.
1Х-23). При этом прочность неронов системы 407 (предельное напряжение сдвига г*) пол- ностью восстановленной структуры не ! ! зависит от числа циклов ее разрушения. т Время, необходимое для полного тиксо- тронного восстановления предваритель- ! ! ! но полностью разрушенной структуры, называют периодом тиксотропии (,. Испытания системы можно проводить и в Рис. 1х-23. Зависимость прелель- условиях, когда не успевает установиться ного напряжения сленга т* от динамическое равновесие между про- цессами разрушения и восстановления тронной структуры 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 с тиксотропными системами иногда используют не равновесные (истинные) значения реологических характеристик, а некоторые условные (кажушиеся) значения, например при заданном времени после полного разрушения тиксотропнообратимой структуры. В отдельных случаях лля достижения равновесия между процессами разрушения и восстановления контактов необходимо очень длительное деформирован не системы с постоянной скоростью, что не всегда удается реализовюь в лабораторном эксперименте и тем 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
