Структурно-механические свойства дисперсных систем

Возникновение структур и их характер обычно опре­деляют, измеряя механические свойства систем: вязкость, упругость, пластичность, прочность. Поскольку эти свой­ства связаны со структурой, их называют структурно-механическими.

Структурно-механические свойства систем исследуют методами реологии.

Реология — наука о деформациях и течении матери­альных систем. Она изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием вне­шних напряжений.

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

Внешнее напряжение — есть не что иное, как давле­ние Р.

В механике сплошных сред доказывается, что в случае несжимаемых материалов, каковыми являются большин­ство дисперсных систем, все виды деформации (растяже­ние, сжатие, кручение и др.) можно свести к основной — деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р(Н/м² = Па). Скорость деформации является скоростью сдвига. Деформацию выражают обычно посредством безразмерных величин γ. Скорость деформации dγ/dt = γ, где t — время.

Изучая структурно-механические свойства дисперсных систем, можно определить, образуется ли в системе струк­тура и каков ее характер.

Свободнодисперсные (бесструктурные) системы

Агрегативно устойчивые золи (бесструктурные системы) подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.

Закон Ньютона устанавливает связь между скорос­тью деформации и напряжением сдвига:

P = η∙( dγ/dt) = ηγ,

где Р— напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости, Па; γ— деформация (течение) жидкости; γ— скорость деформации; η— коэффициент пропорциональ­ности, называемый коэффициентом вязкости или динамической вязкостью, Па∙с; -1/η - величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Вязкость η — величина постоянная, не зависящая от Р.

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

Q= К Р/η,

где Q— расход жидкости в единицу времени; Р— давле­ние в трубе; К— константа, определяемая геометрическими параметрами трубы или капилляра К= πr ⁴ / 8 ∙l ,(r и lрадиус и длина трубы). Из графика, отвечающего закону Пуазейля, видно, что динамическая вязкость не зависит от давления, а скорость течения жид­кости прямо пропорциональна давлению.

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

η = η₀(1 + αφ), (3)

где η₀ — динамическая вязкость дисперсионной среды; φ— объемная концентрация дисперсной фазы; α—коэффициент, определяемый формой частиц дисперс­ной фазы. График, отвечающий закону Эйнштейна.

Таким образом, относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дис­персной фазы. Чем больше φ, тем сильнее выражено тор­мозящее влияние частиц, тем больше вязкость. Расчеты, проведенные Эйнштейном, показали, что для сфериче­ских частиц α = 2,5, для частиц другой формы α > 2,5. Жидкости, подчиняющиеся рассмотренным законам, на­зываются ньютоновыми жидкостями.

Жидкообразные структурированные системы

При наличии структуры взаимодействием между час­тицами дисперсной фазы нельзя пренебречь. Прилагае­мое напряжение сдвига не только заставляет жидкость течь, но и может разрушать существующую в ней струк­туру. Это неизбежно должно приводить к нарушению про­порциональности между прилагаемым напряжением Ри скоростью деформации ˙γ, вязкость системы η становит­ся величиной, зависящей от Р. Следовательно, для таких жидкостей законы Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна не выполняются. Такие жидкости называются неньютоно­выми жидкостями.

Для описания связи между скоростью деформации γ и прилагаемым напряжением сдвига Робычно использу­ют эмпирическое уравнение Оствальда-Вейля:

P = kγⁿ или η= kγ^(n-1)(4)

где k и n— постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.

При n = 1 и k = ηуравнение (4) превратится в урав­нение Ньютона. Таким образом, отклонение величины п от единицы характеризует степень отклонения свойств неньютоновых жидкостей от ньютоновых. При n < 1 нью­тоновская вязкость уменьшается с увеличением напря­жения и скорости сдвига. Такие жидкости называются псевдопластическими.

При n > 1 ньютоновская вязкость жидкости увеличи­вается при увеличении напряжения и скорости сдвига. Та­кие жидкости называются дилатантными.

На рис. представлена кривая течения псевдопласти­ческой жидкости. На кривой имеются три характерных участ­ка. На участке I(ОА)система ведет себя подобно ньютоновой жидкости с большой вязкостью η _max = ctg α_{1 .}Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая при­ложенной нагрузкой, успевает восстанавливаться. Такое тече­ние называется ползучестью.

Ползучесть — это медлен­ное течение с постоянной вяз­костью без прогрессирующего разрушения структуры.

Для слабоструктурирован­ных систем участок I обычно небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений Р, при которых наблюдается пол­зучесть, может быть весьма значительной. Напряжение Р_к соответствует началу разрушения структуры.

На участке II (АВ)зависимость˙γ от Р теряет линей­ный характер, при этом вязкость уменьшается. Это умень­шение связано с разрушением структуры. В точке В струк­тура практически полностью разрушена. Напряжение, отвечающее этой точке, называется предельным напря­жением сдвига Р_m . При напряжениях Р > Р_m, когда струк­тура системы разрушена, система течет подобно ньютоно­вой жидкости, имеющей вязкость η _max = ctg α₂.

Напряжение Р_т называется пределом текучести — это минимальное напряжение сдвига, при котором ползучесть системы переходит в течение. Чем прочнее структура, тем выше предел текучести. Расход жидкости в единицу времени Q, протекающей через трубу при Р < P_m можно рассчитать по уравнению Бингама:

Q = (k/η*_пл)( Р- Р_т) (5)

Где η*_пл — пластическая вязкость, она характеризует спо­собность структуры к разрушению при изменении на­грузки, т. е. η_пл = f(P).

Прочность структуры оценивается не только пределом текучести, но и разностью η_max - η_min. Чем больше эта раз­ность, тем прочнее структура. Значения и η_max и η_min могут различаться на несколько порядков. Так, для суспензии бентонитовой глины η_max = 10⁶ Па с, a η_min = 10^-2 Па с.

Твердообразные структурированные системы

На рис. изображена кривая течения твердообразной структурированной системы. Сравнивая эту кривую с аналогичной кривой для жидкообразной структурирован­ной системы, видим, что на первой кривой появился горизонтальный участок IV, совпадающий с осью абсцисс.

Он заканчивается при достижении давления, рав­ного PS, называемого статическим предельным напряже­нием сдвига. При Р < PSсистема не только не течет, но и не проявляет свойств ползучести, η= ∞. Величина PSха­рактеризует прочность сплош­ной пространственной сетки.

При Р > PSкривая течения твердообразной системы анало­гична кривой течения жидко-образной системы, рассмотрен­ной выше.

Для твердообразных упруго-пластичных тел Δη = η_max - η_min на много порядков больше, чем для жидкообразных и при дос­тижении предела текучести Р_т наступает лавинообразное разру­шение структуры с последую­щим пластическим течением.

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