Реологические свойства структурированных жидкообразных систем

Рассмотрим течение нестационарных жидкообразных систем. Они, как правило, обладают коагуляционной структурой. Минимальная концентрация дисперсной фазы, при которой возникает структура, называется критической концентрацией структурообразования.

Тиксотропия — специфическое свойство систем с коагуляционной структурой. При разрушении структуры происходит разрыв контактов между частицами дисперсной фазы. Восстановление структуры — возобновление этих контактов благодаря подвижности среды и броуновскому движению частиц.

Чем медленнее восстанавливается структура после снятия нагрузки и чем медленнее она разрушается, тем сильнее выражено явление тиксотропии. Степень тиксотропичности можно оценить графически по площади петли гистерезиса на графике зависимости g¢=f(P).

g¢

Р

Рис.4.16. реологическая кривая структурированной жидкости: 1 — равновесная кривая, 2 — после снятия нагрузки

С явлением тиксотропии связано образование плывунов, оползней. При бурении скважин (нефтяных) бур проходи через пласты, содержащие глину, кварц. Если бурение проходит с чистой водой, то при бурении может образоваться суспензия, схватывающая бур. Поэтому при бурении используют тиксотропный глиняный раствор (суспензия бентонита).

Явление тиксотропии можно наблюдать, если концентрированный гель путем встряхивания перевести в золь (количество жидкости достаточно, чтобы частицы совершали броуновское движение). При снятии нагрузки частицы опять образуют структуру. Тиксотропные системы используют в формовке, т.к. объем такой системы незначительно изменяется при превращении золя в гель. Хорошие краски под действием кисти разжижаются и следы кисти сглаживаются.

Тиксотропные золи с палочкообразной или пластинчатой формой частиц быстрее образуют структуру, если поворачивать пробирку. Фрейндлих делал подобный опыт с золем оксида ванадия W₂O₅, имеющего частицы палочкообразной формы. Без перемешивания золь образовывал структуру 60 мин, при перемешивании — 15 с.

Это явление называется реопексией («рео» — теку — греч.) — восстановлением структуры со временем под действием небольшой нагрузки.

Изменение вязкости в системе с псевдопластическим течением невелики. Более резко вязкость изменяется в связнодисперсных системах с коагуляционной структурой. В этом случае можно рассматривать целый спектр состояний между разрушенной и неразрушенной структурами. В зависимости от приложенного напряжения сдвига Р реологические свойства таких систем могут меняться от свойств, присущих твердообразным системам, до свойств, характерных для ньютоновских жидкостей.

Это разнообразие в реологическом поведен и реальной дисперсной системы с коагуляционной структурой описывается по Ребиндеру полной реологической кривой.

Рис.4.17. Кривая течения и соответствующая ей зависимость вязкости h от напряжения сдвига Р для реальной структурированной жидкости (по П.А.Ребиндеру).

В работах П.А. Ребиндера, а также других авторов было установлено, что даже в области P < P_k наблюдается медленное течение без видимого разрушения структуры, и кривые течения имеют вид, изображенный на рис.4.17. На участке ОА эта система ведет себя подобно ньютоновской жидкости с большой вязкостью h_max = Ctga₁ (наибольшая ньютоновская вязкость). Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенным напряжением, успевает восстанавливаться. Такое медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры называют ползучестью[1].

Замечено, что оконные стёкла древних замков и монастырей имеют утолщение в нижней части. Это можно объяснить ползучестью за многовековое их стояние в рамах. Правда, специалисты утверждают, что в средние века технология производства стёкол была такова, что равномерную толщину их по всей площади получить было нельзя. Один конец должен был быть толще другого изначально. Но, спрашивается, почему эти утолщения всегда внизу? Должно быть, равновероятное их расположение вверху и внизу рам.

Если вплавить пробку в гудрон и оставить стоять, то, как утверждают литературные источники, по прошествии нескольких десятков лет она «выплывёт» на поверхность. Это также пример течения без видимого разрушения структуры, т.е. ползучести.

Для слабоструктурированных систем начальный прямолинейный участок кривой обычно небольшой, и его практически невозможно обнаружить. Для сильно структурированных систем область значений Р, при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной. Напряжение Р_k соответствует началу разрушения структуры. При дальнейшем увеличении напряжения сдвига (участок АВ) зависимость dU/dx = f(P) теряет линейный характер, при этом вязкость уменьшается, что является следствием разрушения структуры. В точке В кривой течения структура системы практически разрушена. Напряжение сдвига, отвечающее этой точке, называют предельным напряжением сдвига P_m. При P > P_m, когда структура разрушена, система течет подобно ньютоновской жидкости, имеющей вязкость h_min = Ctga₂ (наименьшая ньютоновская вязкость).

η_max/ η_min = от 10⁶ до 10^-2 Па с (для суспензии бентонитовой глины).

Прочность структуры можно оценить по Р_m и отношению η_max/ η_min.

Рассмотрим течение дисперсной системы — водной суспензии охры — при разных концентрациях частиц дисперсной фазы.

γ′ 1 2 3 4 5

Р

Рис.4.18. Реологические кривые течения водной суспензии охры при разных концентрациях частиц дисперсной фазы.

1 — 6,6%; 2 — 9,1% — системы с ньютоновским течением при полном отсутствии структуры

3 — 17,7% — с 9,1% до 17,7% — течение структурированных жидкообразных тел (характерна для свободнодисперных систем при с < с_кр. Линейный участок отвечает кривой при малых Р.

Структурные элементы разрушаются, но время их восстановления < времени разрушения.

При увеличении Р структура разрушается и не восстанавливается. Экстраполяция этой части кривой позволяет получить Р_т, характеризующее прочность структуры. Напоминает кривую псевдопластического течения. Но: здесь вязкость падает из-за тиксотропии, а там — из-за мгновенной ориентации частиц.