Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
Р = г]^ = ПУ (VII. 2)
где Р — напряжение сдвига; y и Y —- соответственно деформация и скорость деформации (течения).
С увеличением концентрации дисперсной фазы возрастает взаимодействие между частицами и обнаруживаются все более сильные отклонения от уравнения Эйнштейна. Вязкость концентрированных систем растет с концентрацией почти по экспоненте. Одновременно
12 Зак. 673 185
Рис. 56. Кривые течения ньютоновской жидкости (1) и псевдопластической структурированной жидкообразной системы (2).
наблюдается зависимость вязкости от напряжения сдвига (нагрузки), и закон Ньютона перестает выполняться. Эти отклонения обычно обусловлены взаимодействием частиц и образованием структуры, в которой частицы определенным образом ориентированы относительно друг друга. Такие системы называют неньютоновскими жидкостями.
Наиболее общим уравнением, описывающим течение неньютоновских жидкостей, является эмпирическое уравнение Оствальда — Вейля:
Р = куп или n=J^ = ?Y'l~1 (VII. 3)
где k и п—постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.
Если п=1, жидкость является ньютоновской и константа k совпадает с ньютоновской вязкостью г). Таким образом, отклонение п от единицы характеризует степень отклонения свойств неньютоновских жидкостей от свойств ньютоновских жидкостей. При п < 1 ньютоновская вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига и напряжения. Соответственно этому жидкости называют псевдопластическими. При п > 1 ньютоновская вязкость растет с увеличением скорости сдвига и напряжения. Соответственно эти жидкости называют дила-тантными.
На рис. 56 представлена кривая течения структурированной жидко-образной системы — реальной псевдопластической жидкости (кривая 2). Для сравнения приведена зависимость y = f(P) для ньютоновской жидкости (прямая /). На кривой течения структурированной псевдопластической жидкости имеется три характерных участка. На участке ОА эти система ведет себя подобно ньютоновской жидкости с большой вязкостью т>макс = ctg ось Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенной нагрузкой, успевает восстанавливаться. Медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры называется ползучестью.
Для слабо структурированных 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 Рк соответствует началу разрушения структуры.
При дальнейшем увеличении напряжения (участок AB) зависимость y = f(P) теряет линейный характер, при этом вязкость (ньютоновская) уменьшается. Переменные значения вязкости являются следствием разрушения структуры. В точке ? кривой течения структура системы практически полностью разрушена. Напряжение, отвечающее этой точке, называется предельным напряжением на сдвиг Рт. При
186
напряжениях Р > Рт, когда структура разрушена, система течет подобно НЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ, ИМеЮЩеЙ ВЯЗКОСТЬ "Пмин —Ctga2.
Рост взаимодействия между частицами приводит к упрочнению пространственной структуры в дисперсных системах. Жидкообразное тело переходит в твердообразное. Образование структуры обычно связывают с появлением у системы предела текучести РТ — минимальной нагрузки, при которой тело начинает течь. Чем прочнее структура, тем выше предел текучести.
Для идеального пластического твердого тела Бингам предложил следующее уравнение:
р - />т = пплу или Р = Рт + т)плу (VII. 4)
где Т)„л — пластическая вязкость, характеризующая способность структуры к разрушению при изменгнии нагрузки.
Различия между ньютоновской и пластической вязкостью видны из соотношения между ними:
Рт + ЧилУ = Г|пл+А (VII. 5)
У У
Реальные пластические- тела могут отличаться по реологическим свойствам от идеальных бингамовских тел. Общим для них является следующее эмпирическое соотношение:
p = pT + kyn (VII. 6)
В соответствии с уравнением (VII. 6) при п = 1 система представляет собой бингамовское тело; п > 1 отвечает пластическому дила-тантному телу и п <С 1 — псевдопластическому твердообразному телу.
Тип и свойства структур, образующихся в коллоидных системах, зависят от характера сил взаимодействия между частицами. Согласно теории структурообразования все структуры в коллоидных системах разделяются на два типа: коагуляционные и конденсационно-кристал-лизационные. В основу этой классификации положена потенциальная кривая взаимодействия частиц, вытекающая из теории ДЛФО (см. рис. 46).
Коагуляционные структуры возникают за счет ван-дер-ваальсовых сил притяжения частиц и образуются в результате коагуляции их на расстояниях, отвечающих вторичному минимуму на потенциальной кривой, когда между частицами дисперсной фазы имеются прослойки среды. Наличие таких прослоек в местах контакта между частицами обусловливает относительно небольшую прочность и ярко выраженные пластические свойства структур. Для коагуляционных структур характерны такие специфические свойства, как тиксотропия и реопексия. Тиксотропия— способность структурированной системы восстанавливать во времени свои прочностные свойства после ее механического разрушения. Реопексия-—явление, обратное тиксотропии "возникнове" ние и упрочнение структуры в результате механического воздействия.
