Структурно-механічні властивості дисперсних систем.

 

Дисперсні системі проявляють такі механічні властивості, як в’язкість, пружність, пластичність, міцність. Ці властивості системи тісно пов’язані з її структурою, тому їх називають структурно - механічними властивостями або реологічними властивостями.

Реологія – вивчає механічні властивості тіл через деформації під дією зовнішніх напруг.

Деформація (e) – це відносне зміщення точок системи, при якому не порушується її цілісність.

Напруження – це відношення сили яка викликає деформацію до площі на яку вона діє.

Структурно-механічні властивості дисперсних систем залежать від концентрації дисперсної фази. У вільнодисперсних системах концентрація дисперсної фази дуже мала і частинки вільно переміщуються по всьому об’єму, взаємодія між ними практично відсутня, текучість у таких системах відбувається так само як в рідинах і газах.

При збільшенні концентрації дисперсної фази значно посилюється взаємодія між частинками; вони з’єднуються між собою в агрегати і утворюється просторовий структурний каркас. Внаслідок цього частинки не можуть вільно рухатись одна відносно одної. Такі системи називаються зв’язанодисперсними.

Структурно – механічні властивості дисперсних систем визначаються природою сил зчеплення між частинками та кількістю контактів в одиниці об’єму.

Розрізняють три основних типи контактів між частинками:

Коагуляційні рідинні контакти (Рис.64,а) виникають при наближенні частинок на відстань, що відповідає вторинному мінімуму потенційної кривої і здійснюються Ван-дер-Ваальсівськими силами через прошарок дисперсійного середовища. Ці контакти характерні для флокуляції. Величина сил цих контактів 10^-11-10^-12 Н.

Сухі точкові контакти (Рис.64,б) виникають при розриві сольватних оболонок. Величина сил цих контактів 10^-9-10^-10Н.

Конденсаційні або фазові контакти (Рис.64,в) відбуваються при злитті двох частинок. Міцність зародкового фазового контакту 10^-7-10^-8Н.

Залежно від природи сил взаємодії між частинками структури поділяють, за Ребіндером на коагуляційні та конденсаційно-кристалізаційні.

Рис. 64. Типи контактів між частинками.

Коагуляційні структури виникають у процесі коагуляції золів, при безпосередній взаємодії частинок, або через тонкі прошарки рідкого дисперсійного середовища. Зв’язок частинок у контактах структури відбувається за рахунок сил міжмолекулярної взаємодії. Сам контакт локалізується на невеликій поверхні частинки (точковий контакт). Для коагуляційних структур характерна низька міцність, високі пластичність та еластичність, яскраво виражена тиксотропія.

Тиксотропія - це здатність структурованих систем до зворотного відновлення структури після її механічного руйнування. Явище тиксотропії пояснюється тим, що коагуляційні контакти розриваються під навантаженням, а потім відновлюються в процесі броунівського руху частинок.

Конденсаційно-кристалізаційні структури. Ці структури виникають в наслідок утворення міцних хімічних зв’язків між частинками (конденсаційні структури) або в наслідок зрощування кристалів в процесі кристалізації нової фази (кристалізаційні структури). Ці зв’язки міцніше, ніж міжмолекулярна взаємодія в коагуляційних структурах. Тому для конденсаційно-кристалізаційних структур характерна висока міцність, крихкість, незворотність деформації та відсутність тиксотропії.

Природні системи, як правило існують у вигляді комбінації коагуляційних та конденсаційно – кристалізаційних структур.

Розведені агрегативно стійкі дисперсні системи не утворюють просторових структур і їх властивості близькі до властивостей дисперсійного середовища. Залежність в’язкості таких систем від концентрації дисперсної фази описується рівнянням Ейнштейна:

h = h₀(1 + aj) (8.38)

h, h₀ - в’язкість дисперсної системи і дисперсійного середовища;

j - об’ємна частка дисперсної фази;

a - коефіцієнт форми частинок.

Рідини, що підпорядковуються цьому закону називають ньютонівськими. В’язкість таких систем має прямолінійну залежність від концентрації дисперсної фази.

При зростанні концентрації дисперсної фази зростає взаємодія між частинками, що призводить до відхилення від лінійної залежності в’язкості системи від концентрації дисперсної фази. Такі рідини називаються неньютонівськими, в’язкість такої системи може бути описана рівнянням Освальда - Вейля.

(8.39)

e^• - швидкість деформації.

k, n - Константи, що характеризують дану рідинну систему.