Реологические свойства структурированных систем

Большинство реальных жидкообразных дисперсных систем не подчиняются уравнениям Ньютона и Эйнштейна. Это системы с частицами, имеющими несферическую форму и способными деформироваться, а также структурированные дисперсные системы. Кроме того, с увеличением концентрации дисперсной фазы усиливается взаимодействие между частицами, что приводит к значительному отклонению от уравнения Эйнштейна, и поведение структурированной жидкообразной системы отличается от поведения ньютоновской жидкости — для них наблюдается зависимость вязкости от напряжения сдвига. Кривые течения для структурированных жидкостей имеют вид, изображенный на рис. 3.

Свойства структурированных жидкообразных систем могут быть охарактеризованы тремя величинами вязкости. Две из них не зависят от напряжения сдвига и являются ньютоновскими вязкостями: _max — для неразрушенной структуры и _min — для предельно разрушенной системы. Значения _тах и _min могут различаться на несколько порядков. Чем больше разность между ними, тем прочнее структура материала.

Рис. 3 Реологические кривые для структурированных жидкостей [4]

Для характеристики течения таких жидкообразных систем используют эффективную (или структурную) вязкость (_эфф), которая в отличие от пластической вязкости (см. уравнение Бингама), является переменной и зависит от напряжения сдвига. Величина _эфф характеризует добавочное сопротивление течению жидкости со стороны сеткообразных структур. Таким образом, вязкость структурированных жидкостей можно рассматривать как сумму вязкости, обусловленной ньютоновским течением неструктурированной жидкости, и эффективной вязкости: = _min+ _эфф. Экстраполяция линейного участка на зависимости dг/dф = f (P), отвечающего минимальной вязкости _min, обычно приводит в начало координат.

В агрегативно устойчивой дисперсной системе после оседания частиц образуется плотный осадок, и структурирование системы не происходит, т. е. каркас из частиц дисперсной фазы не формируется. В агрегативно неустойчивой системе выделяется рыхлый осадок, занимающий большой объем. Поэтому получается система с концентрацией дисперсной фазы, которая отвечает образованию структурной сетки из частиц, подверженных броуновскому движению. Вследствие наличия контакта частиц друг с другом для выхода из структурного каркаса им необходимо преодолеть энергетический барьер, поэтому для такой структурированной системы характерен предел текучести. По Ребиндеру поведение реальных дисперсных систем, имеющих предел текучести, описывается реологическими кривыми, представленными на рис. 4.

Рис. 4. Полные реологические кривые для структурированной системы [4]

При малых нагрузках (участок I) контакты между частицами практически не нарушаются — система обладает очень высокой вязкостью и ведет себя как твердообразная. Под действием броуновского движения структурные элементы в системе разрушаются и снова восстанавливаются. С увеличением напряжения сдвига вероятность разрушения структуры возрастает. При нагрузке равной статическому предельному напряжению сдвига (Р_ст) структура раскалывается на отдельные участки и наблюдается деформация сдвига.

Участок II реологической кривой отвечает состоянию, когда течение происходит фактически при неразрушенной структуре, т. е. она успевает обратимо восстановиться. Однако процесс разрушения и восстановления контактов имеет направленность и происходит медленное вязкопластическое течение — ползучесть. В этом случае наблюдаются небольшие деформации, а вязкость в системе практически не изменяется и имеет высокие значения.

При увеличении напряжения структура разрушается и восстанавливаться не успевает. Суммарная вязкость системы при этом уменьшается (участок III), что отражается резким подъемом кривой на зависимости dг/dф = f (P) и увеличением угла ее наклона. Экстраполяция этой части кривой к оси напряжений позволяет получить значение предельного напряжения сдвига Р_Т (предела текучести в уравнении Бингама), соответствующего началу интенсивного разрушения системы.

Наконец при достижении динамического предельного напряжения сдвига (Р_дин) остатки структуры полностью распадаются до отдельных коллоидных частиц или макромолекул. Начиная с этого момента, система проявляет свойства неструктурированной ньютоновской жидкости (участок IV).

При последующем увеличении напряжения сдвига наблюдается отклонение от закона Ньютона и увеличение вязкости, что связано с возникновением турбулентности потока жидкости (участок V). Иногда раннее появление турбулентного течения не позволяет реализоваться участку IV. [4].