Тема 7. Структурированные дисперсные системы

Свойства дисперсных систем зависят от концентрации частиц дисперсной фазы. В разбавленных золях расстояние между частицами сравнительно велики, и взаимодействием между ними можно пренебречь. Такие системы являются свободнодисперсными (бесструктурными). При увеличении концентрации дисперсной фазы между частицами возникают контакты, образуется структура.

В зависимости от типа взаимодействий структурированные системы подразделяют на два класса:

- коагуляционные структуры (тиксотропно-обратимые гели);

- конденсационно-кристаллизационные структуры (необратимо разрушающиеся).

Коагуляционные структуры − гели, в которых частицы дисперсной фазы разделены прослойками дисперсионной среды, образуются за счет Ван-дер-Ваальсовых сил и обладают малой прочностью. Для этих структур характерны следующие свойства: тиксотропия, синерезис, небольшая прочность, набухание, ползучесть.

Наличие жидкостной прослойки между частицами обусловливает невысокую прочность структуры.

На процесс гелеобразования влияют следующие факторы:

1) концентрация дисперсной фазы, с повышением ее возрастает число контактов частиц, а значит, скорость гелеобразования; кроме того, увеличение концентрации приводит к уменьшению сольватации частиц, что способствует их агрегации;

2) размеры частиц: чем они меньше, тем больше возникает контактов;

3) форма частиц: гелеобразование облегчатся, если частицы анизометричны; асимметрия формы частиц (углы, ребра и т.д.) приводит к неоднородной сольватации;

4) механическое воздействие; обычно перемешивание препятствует гелеобразованию.

Тиксотропиейназывается способность коагуляционных структур после их механического разрушения самопроизвольно восстанавливать во времени свою структуру.

Синерезисомназывается явление самопроизвольного уменьшения размеров геля за счет выделения дисперсионной среды, содержавшейся в структуре геля. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело.

Явление, обратное синерезису — набухание, происходящее за счет поглощения дисперсионной среды высушенным гелем.

Конденсационно-кристаллизационные структуры образуются за счет непосредственного химического взаимодействия между частицами. Эти структуры не могут проявлять свойства тиксотропии, синерезиса, набухания — они проявляют упруго-хрупкие свойства. Их прочность обычно значительно выше прочности коагуляционных структур. Превращение коагуляционных структур в конденсационно-кристаллизационные является процессом необратимым.

Бесструктурные системы, жидкообразные коагуляционные и твердообразные структурированные системы различаются по структурно-механическим свойствам (вязкости, упругости, прочности и пластичности).

Бесструктурные коллоидные системы — агрегативно устойчивые золи, подобно чистым жидкостям подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.

Их называют ньютоновскими жидкостями.

Закон Ньютона устанавливает связь между скоростью деформации и напряжением сдвига:

,

где р − напряжение сдвига, поддерживающее течение жид­кости, Pа; g − деформация (течение жидкости); t−время; − скорость течения; h − коэффициент вязкости или динамическая вязкость, Pа×с; − величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Уравнение Ньютона представляет собой уравнение прямой, как видно на графике.
Вязкость h − величина постоянная, не зависящая от напряжения сдвига.

Закон Пуазейля выражает зависимость объема жидкости, протекающей через капилляр, от давления:

,

где Q − расход жидкости в единицу времени (объемная скорость течения), P − давление в трубе, K − константа, опре­де­ляемая геометрическими параметрами трубы или капилляра.

,

где r и l − радиус и длина капилляра. Из графика, отвечающего закону Пуазейля, видно, что динамическая вязкость не зависит от давления, а скорость течения жидкости прямо пропорциональнa давлению.

Закон Эйнштейна устанавливает зависимость вязкости h бесструктурной жидкой дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы:

h = h₀ (1 + a × j),

Где h₀ − динамическая вязкость дисперсионной среды; j − объемная концентрация дисперсной фазы; a − коэффициент, определяемый формой частиц дисперсной фазы, для сферических частиц a = 2,5 , для частиц другой формы a > 2,5.

Из графика, отвечающего закону Эйнштейна, видно, что относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы.

Уравнение Эйнштейна можно выразить в виде:

.

Отношение называется удельной вязкостью.

В жидкообразных структурированных системах необходимо учитывать взаимодействие между частицами дисперсной фазы. Прилагаемое напряжение сдвига не только заставляет жидкость течь, но и может разрушать существующую в ней структуру. Это приводит к нарушению пропорциональности между прилагаемым напряжением P и скоростью деформации (течения); вязкость системы h становится величиной зависящей от P. Поэтому для таких жидкостей законы Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна не выполняются. Эти жидкости называются неньютоновскими.

Кривая P`BC показывает, что, течение таких систем начинается только по достижении определенного давления P`, называемого предельным напряжением сдвига. При достаточно большом избытке давления над предельным напряжением сдвига структура полностью разрушается и жидкость течет с постоянной вязкостью, подчиняясь закону Ньютона-Пуайзеля (участок BC); за точкой C начинается область турбулентного движения.

Твердообразные структурированные упругопластические системы характеризуются наличием предельного напряжения сдвига, до достижения которого они не текут. При достижении предела текучести наступает лавинообразное разрушение структуры с последующим пластическим течением.

В упругохрупких телахтечения не наблюдается, так как напряжение, при котором происходит хрупкий разрыв, достигается раньше, чем предел текучести.