Вязкость. Реологические свойства

дисперсных систем

 

    При ламинарном течении жидкостей в капилляре, согласно уравнению Ньютона, сила внутреннего трения F между слоями жидкости определяется градиентом скорости (du / dx) и коэффициентом внутреннего трения η:

                               F = η(du / dx),                                                (26)

для растворов низкомолекулярных соединений, а также для ряда коллоидных систем коэффициент η при данной температуре и концентрации является величиной постоянной.

    Однако под влиянием ряда факторов для коллоидных и полуколлоидных систем, а также для растворов высокомолекулярных соединений указанная закономерность часто нарушается. Это объясняется возникновением в системе внутренней сетчатой структуры, условиями для образования которой являются: 1) асимметричная форма мицелл (частиц); 2) неполная десольватация частиц дисперсной фазы.

    Структурообразование зависит также от строения адсорбционных стабилизирующих слоев, состоящих из дифильных молекул (мыла). В подобных случаях форма коллоидных частиц может не быть асимметричной.

    Структуры бывают коагуляционные и конденсационные (кристаллизационные). Первые образуются за счет слабых водородных связей или сил Ван-дер-Ваальса, легко разрушаются при механических воздействиях и через некоторое время могут самопроизвольно восстановиться. Это явление получило название тиксотропии. Примером тиксотропных систем могут служить золи Fe(OH)₃ и V₂O₅, суспензии бентонитовых глин, минеральные краски, растворы некоторых полуколлоидных и высокополекулярных соединений и др. Тиксотропные системы обычно проявляют пластичные свойства.

    Конденсационные структуры образуются за счет химических связей между частицами, за счет возникающих и срастающихся кристаллов. Такие системы не могут обладать тиксотропными свойствами, они не пластичны, а хрупки Цементы, гели кремневой кислоты).

    Одним из методов изучения структур является проверка применимости к системе закона Ньютона или закона Пуазейля. Этот последний характеризует ламинарное течение жидкостей по капилляру под действием приложенного давления:

                              v / τ = π r ⁴ p /(8η l),                                         (27)

где v / τ – объемная скорость течения (м³/с), p – приложенное давление (или напряжение на сдвиг) (Н/м2), r – радиус капилляра (м), l - длина капилляра (м), η – вязкость жидкости (Н∙с/ м²).

У жидкостей, подчиняющихся закону Пуазейля, зависимость между объемной скоростью течения и давлением должна быть линейной. Механические свойства систем, обусловленные структурой, называют также реологическими (реология – наука о течении или, в более широком смысле, о деформациях под действием нагрузок). Для большинства коллоидных систем структура разрушается не сразу, а по мере увеличения p. При малых нагрузках система движется без разрушения структуры (ползучесть). Вязкость является постоянной величиной. По достижении критического напряжения в системе начинается разрушение структуры, а величина вязкости становится убывающей величиной. Когда напряжение достигает предельного значения, структура уже полностью разрушена и вязкость системы становится постоянной величиной, близкой к вязкости дисперсионной среды.

Для исследования структурированных систем типа паст наиболее часто применяют метод конического пластометра, который позволяет характеризовать реологические свойства систем величиной предельного напряжения сдвига p_m. Он состоит в измерении глубины погружения конуса h (м) в данную систему под действием постоянной нагрузки (кг)

                     p_m = K (F / h ²) (кг/м²),                                     (28)

где K – константа прибора.

    Степень структурирования, а следовательно, и величину p_m зависят от многих факторов: дисперсности системы, концентрации, температуры, поверхностно-активных добавок и других факторов.

             

   5. Полуколлоидные системы              

 

Характерными признаками коллоидных систем является их микрогетерогенность и термодинамическая неравновесность, что, в основном, и отличает их от истинных растворов. Однако существуют системы, которые находятся одновременно в состоянии золя и истинного раствора. К таким системам, получившим название полуколлоидных, относятся растворы мыл и моющих средств, некоторые красители, дубильные вещества.

В полуколлоидной системе существует равновыесие: истинный раствор – золь.

Чтобы получить полуколлоид в коллоидном состоянии, достаточно понизить температуру или повысить концентрацию дисперсной фазы.

Концентрация, соответствующая почти полному переходу системы в коллоидную (90% мицелл), называется критической концентрацией мицеллообразования. О возникновении мицелл можно судить по изменению некоторых коллоиднохимических свойств раствора, например, по увеличению светорассеяния за счет перехода гомогенной системы в гетерогенную.

Широко применяют осмометрический метод определения критической концентрации мицеллообразования. При переходе раствора в коллоидную систему осмотическое давление резко падает в результате уменьшения числа ионов (молекул) и увеличения числа мицелл.

Наиболее распространенным методом определения критической концентрации мицеллообразования для ионогенных полуколлоидов является кондуктометрический метод. При замене ионов полуколлоидного раствора мицеллами подвижность их уменьшается вследствие увеличения размеров и блокировки части зарядов. Поэтому регистрируется уменьшение эквивалентной электропроводности раствора.