к списку лекций
1.Прочность и вязкость.
2.Виды дисперсных систем.
3.Золи и суспензии.
Вязкие тела текут при любом напряжении сдвига t(Rt):
Рt = F/B (13.1)
F - сила вязкого сопротивления, В - площадь, на которую распространяется действие этой силы.
Течение вязких тел определяется законом Ньютона:
Рt = h(dg/dPt), F = hВ(dg/dPt) (13.2)
где h - коэффициент вязкости, dg/dPt -изменение деформации сдвига во времени (скорость деформации).
Если обозначить скорость деформации через g., то вязкость системы:
h = Rt·g. (13.3)
Вязкость свободнодисперсных систем растет по мере увеличения концентрации дисперсной фазы. Присутствие частиц дисперсной фазы приводит к искажению потока жидкости вблизи этих частиц, что влияет на вязкость. Если концентрация незначительна и столкновения исключаются, то характер движения жидкости около одной частицы не влияет на характер движения жидкости около другой частицы. В этих условиях для определения вязкости свободнодисперсных систем можно воспользоваться уравнением Эйнштейна:
h = h0(1 + кuоб), h/h0 = 1 + кuоб (13.4)
h, h0 - вязкость свободнодисперсной системы и дисперсионной среды, uоб - объемная концентрация дисперсной фазы, к - коэффициент, зависящий от формы частиц (для сферической формы к = 2,5).
Формула Эйнштейна справедлива при отсутствии деформации частиц, если концентрация дисперсной фазы не превышает 6%.
При увеличении объемной концентрации до 30% можно пользоваться формулой:
h = h0(1 + 2,5uоб + 14,7uоб2) (13.5)
При сопоставлении формул 13.4 и 13.5 видно, что по мере увеличения концентрации частиц линейная зависимость между вязкостью и
концентрацией нарушается. Тем не менее, вязкость подобных систем при данной концентрации остается постоянной. Подобные системы называются ньютоновскими.
Течение и вязкость неньютоновских жидкостей, которые называют еще аномальными жидкостями, зависят от внешнего воздействия (напряжения сдвига). Вязкость является величиной переменной для данной концентрации и уже не определяется соотношениями 13.2 и 13.3.
Рассмотрим особенности движения структурированных систем (рис.13.1).
Рис.13.1.Зависимость скорости течения (а) и коэффициента вязкости (б) от внешнего усилия Р.
Рr - предел прочности, Рх1 - предел упругости, Рх2 -условный предел прочности, Рm - напряжение полного разрушения структуры, hмакс - вязкость неразрушенной структуры, hмин - наименьшая вязкость предельно разрушенной структуры.
Кривые h = f(Р) - полные реологические кривые течения структурированных дисперсных систем. Каждое значение вязкости на этих кривых соответствует равновесному состоянию систем в стационарном ламинарном потоке.
Четыре состояния структурированных систем:
1. 0 <P < Рx1 (Рx1 - предел упругости). В этом состоянии течение отсутствует, и внешнее воздействие не может нарушить прочность системы.
2. Р > Рx1 - система начинает течь. Скорость перемещения незначительна, связи между частицами после их разрушения успевают восстановиться. Структура не разрушается. Подобное перемещение называют ползучестью. Вязкость системы в данной зоне наибольшая. Скорость движения в данной зоне:
u = кР/h (13.6)
к - коэффициент, характеризующий структурные особенности дисперсной системы.
Необратимое разрушение системы начинается на границе зон 2 и 3, а на границе участков 3 и 4 оно заканчивается. В этом состоянии дисперсной системы связи между частицами не восстанавливаются, вязкость снижается, скорость движения системы увеличивается. Для этого случая скорость системы:
u = к(Р - Р r)/ h (13.7)
На участке 4 структура разрушается полностью, минимальная вязкость - полное разрушение системы. На рисунке приведены реологические кривые для твердообразных тел, для жидкообразных систем - пунктирная линия 1а.
Изменение вязкости структурированных жидкостей широко используется на практике.
Золи и суспензии, а также их производные - гели и пасты - разновидности одного и того же типа дисперсных систем - Т/Ж, различаются они размером частиц дисперсной фазы.
Золи - высокодисперсные системы, их называют еще коллоидными растворами. В зависимости от дисперсионной среды делятся на гидрозоли (вода) и органозоли (органическая среда).
Помимо твердых частиц, дисперсная фаза золей может формироваться из мицелл - электрически нейтральных агрегатов ионов дисперсной среды.
Суспензии - средне- и грубодисперсные системы.
Золи - седиментационно-устойчивые системы, суспензии - седиментационно-неустойчивы.
Особенно резко различаются оптические свойства золей и суспензий. Золи способны рассеиваться по закону Рэлея, а действие света на суспензии происходит по законам геометрической оптики.
Общие свойства золей и суспензий определяются границей раздела фаз Т/Ж, на которой происходят адсорбционные процессы и образуется ДЭС. Больший размер частиц у суспензий приводит к тому, что электроосмос, потенциал седиментации и течения у них выражен слабо, а электрофорез - отсутствует.
При увеличении концентрации частиц дисперсной фазы системы из свободнодисперсных превращаются в связанодисперсные. Связнодисперсные системы, в которые переходят суспензии, называются пастами. Золи переходят в гели. Пасты и гели образуют структуры, для них характерны структурно-механические свойства.
Пасты - концентрированные суспензии или осадок, который образуется при потере суспензией седиментационной устойчивости. Кроме того, пасты могут быть приготовлены искусственно путем растирания твердых тел в жидкой среде.
Осадки золей могут переходить обратно в коллоидный раствор - пептизация (процесс, обратный коагуляции - распад агрегатов до первичных частиц).
Пептизация может протекать под действием электролитов, при этом восстанавливается ДЭС, повышается дзета-потенциал, а силы электростатического отталкивания преобладают над силами межмолекулярного взаимодействия. Пептизация может также происходить под действием растворов ПАВ, молекулы которых адсорбируются на границе раздела фаз и образуют адсорбционные слоя, которые противодействуют сближению частиц.
Пептизация протекает с определенной скоростью и зависит от концентрации электролита-пептизатора (рис.13.2)
Рис.13.2.Изменение массы перешедшего в раствор осадка в зависимости от концентрации пептизатора.
В начале процесса при незначительной концентрации пептизатора перехода осадка в раствор не т (участок 1) - происходит адсорбция пептизатора на поверхности частиц. По мере увеличения концентрации пептизатора (участок 2) количество осадка, перешедшего в коллоидный раствор, возрастает. При дальнейшем увеличении концентрации пептизатора весь осадок переходит в коллоидный раствор (участок 3).