Реологические свойства дисперсных систем

Коллоидные системы обладают определёнными механическими свойствами – вязкостью, пластичностью, упругостью, прочностью. Свойства эти связаны со структурой подобных систем и поэтому называются структурно-механическими или реологическими свойствами.

Структура разбавленных агрегативно устойчивых систем по ряду свойств аналогична структуре истинных растворов. Основное отличие состоит в том, что в дисперсных (гетерогенных) системах частицы дисперсной фазы и молекулы дисперсионной среды сильно различаются по размеру.

Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к взаимодействию ее частиц. Изменение свойств дисперсных систем с ростом концентрации происходит постепенно до тех пор, пока не наступит коагуляция частиц.

В коллоидной химии понятие структуры и структурообразования принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуляции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает прочность системы.

Таким образом, структурообразование в свободнодисперсных системах есть результат потери агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности структуры свободнодисперсных систем переходят в связнодисперсные системы.

Структурно-механические свойства систем исследуют методами реологии. Реология – наука о деформациях и течении материальных систем. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений. В коллоидной химии методы реологии используются для исследования структуры и описания вязкотекущих свойств дисперсных систем.

Вещества, которые не обладают упругостью к внешним воздействиям, называются вязкими.

Деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

Деформация
упругая	остаточная
При упругой деформации структура тела полностью восстанавливается после снятия нагрузки (напряжения). Различают:	Является необратимой, изменения остаются и после снятия нагрузки. Остаточная деформация называется пластической, если не происходит разрушения тела.
Объёмные деформации растяжения, сжатия	сдвиговые деформации	деформации кручения

В соответствии с законом Гука относительная деформация (ε, θ) – отношение абсолютного смещения к размерам системы – прямо пропорциональна воздействующему на систему напряжению:

- для продольной деформации,

- для деформации кручения,

где P – механическое напряжение, E и G – модули упругости, ε и θ – относительная деформация.

Рис. 27. Зависимость относительной деформации от напряжения.

I зона соответствует случаю упругой деформации, подчиняется закону Гука; II зона – частичной деформации: после снятия напряжения система частично возвращается в первичное состояние; III зона – деформация необратима: характерно увеличение относительной деформации при уменьшении напряжения, система переходит в текучее состояние, т.е. после снятия напряжения система не возвращается в первоначальное состояние.

Важнейшим критерием дисперных систем по отношению к внешнему воздействию является релаксация – явление уменьшения внутреннего напряжения без уменьшения деформации. Релаксация объясняется те, что в результате теплового движения частиц происходит изменение ее структуры.

Период релаксации t - время, в течение которого внутреннее напряжение системы уменьшается в е раз. Для вязких систем t - маленькая величина, для упругих – большая величина. Одно и тоже тело может быть и упругим, и вязким в зависимости от времени внешнего воздействия t. В случае, если t<<t, то такая система ведет себя как упругая, и наоборот, если t>>t, то система – вязкая.

Структурно-механические свойства систем обусловлены интенсивностью взаимодействия частиц дисперсной фазы друг с другом. По этом признаку различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы.

Свободнодисперсные системы – бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы свободно движутся в дисперсионной среде. Реологические свойства таких систем близки к реологическим свойствам дисперсионной среды.

Связнодисперсные системы – структурированные системы, частицы дисперсной фазы взаимодействуя друг с другом, образуют пространственный каркас или сетку, в ячейках которых находится дисперсионная среда. Такого рода системы называются гелями или студнями.

Процесс перехода золя в гель называется процессом гелеобразования или студнеобразования. Гель приобретает упругость и способен выдерживать незначительные механические нагрузки. В геле может происходить испарение дисперсионной среды с течением времени. Это приводит к уменьшению объема геля. Такого рода гели (высохшие) называются ксерогелями.

Существует два варианта взаимодействия частиц дисперсной фазы в процессе гелеобразования. Эти варианты обусловлены расстояниями между взаимодействующими частицами:

1. Расстояние между частицами измеряется несколькими толщинами ДЭС. Это имеет место тогда, когда на кривой взаимодействия частиц в зависимости от расстояния имеется достаточно глубокий min и высокий потенциальный барьер. Такого рода гели называются рыхлыми гелями с низкой упругостью. Объемное содержание дисперсной фазы составляет 1-2%.

Рис. 28. Зависимость взаимодействия частиц от расстояния между ними в рыхлых гелях (а), в упругих гелях (б).

2. Расстояние между частицами дисперсной фазы ничтожно мало. Это обусловлено незначительным min на кривой взаимодействия частиц в зависимости от расстояния и малым потенциальным барьером в области отталкивания частиц. Такие гели более плотные, более упругие и доля (в%) дисперсных частиц больше, чем у рыхлых.

Ребиндер предложил два типа гелевых структур:

3. Коагуляционные структуры (коагели) – эластичные, тиксотропийные гели: взаимодействие между частицами дисперсной фазы в них обусловлено Ван-дер-ваальсовскими силами, т.е. как правило между частицами находиться небольшой слой дисперсионной среды. Такие гели обладают эластичностью (эластомеры),.е. после снятия нагрузки система возвращаеся в исходное состояние. Коагели способны переходить в золь при повышении температуре, теряют упругость при механических нагрузках и снова переходят в зол – тиксотропия.

Тиксотропия – способность к изотермическому обратному превращению золя в гель.

Для коагелей также характерно явление синерезиса.

Синерезис – процесса самопроизвольного уменьшения размеров геля с одновременным выделением наружу дисперсионной среды из геля в результате процесса слипания частиц. В этом случае образуются синергетический сгуток.

При синергезисе уменьшается объем геля, но форма сохраняется. Синерезис – процесс обратимый.

4. Конденсационно-кристаллизационные системы (твердые гели). Основная причина возникновения – образование химической связи между частицами. Примером может быть цемент, гипс. Такие гели не обладают эластичностью и имеют высокую хрупкость.

Дата добавления: 2014-01-05