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.

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

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

Все виды деформации можно свести к основной — деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р.

В соответствии с законом Гука относительная деформация (е, и) — 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, е и и — относительная деформация.

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 дисперсных 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 — время, в течение которого внутреннее напряжение системы уменьшается в е раз. Для вязких систем — 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<<, то такая система ведет себя как упругая, и наоборот, если 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%.
• 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:

1. 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), т. 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 золь — тиксотропия.

Тиксотропия — способность к изотермическому обратному превращению золя в гель, т. е. способность коагуляционных структур самопроизвольно восстанавливать свою структуру после их механического разрушения.

Для коагелей также характерно явление синерезиса.

Синерезис — процесс 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.

2. 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.