Тема VI. Реологические свойства дисперсных систем

Тема VI. Реологические свойства дисперсных систем
Свойства дисперсных систем зависят от концентрации частиц ДФ.
При высокой концентрации последних взаимодействие между ними усиливается и
образуются структуры, дающие ДС прочность. При этом ДС приобретает
способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки; при
определенных условиях образовавшиеся структурированные системы могут течь.
Закономерности структурообразования, совокупность механических и
реологических свойств (вязкость, упругость, пластическая прочность) составляют
структурно-механические свойства дисперсных систем
Эти свойства изучает ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА – пограничная область
коллоидной науки, возникшая на стыке физической химии, физики твердого тела и
механики материалов (основатель П.А. Ребиндер).
Различают структурно-механические свойства упруговязкопластических тел
(асфальт, битум, тесто) и сыпучих материалов (цемент, крупа, мука)
§ 1. Основные понятия реологии.
Идеальные реологические элементы
Реология – наука о деформациях и течении материальных систем. Деформация –
относительное смещение точек системы, при котором нарушается ее сплошность
(упругая и остаточная деформация)
1-я аксиома реологии – при всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все
материальные системы ведут себя как идеально упругие тела – одинаково
2-я аксиома реологии – любая материальная система обладает всеми
реологическими свойствами (упругость, вязкость, пластичность, прочность)
Упругость – способность тела восстанавливать первоначальные размеры после
снятия нагрузки.
Вязкость – способность (жидкости) сопротивляться движению (течению).
Пластичность – свойство тел развивать необратимые истинно остаточные
деформации.
Прочность – способность тела сопротивляться приложенной нагрузке.
В реологии механические свойства материалов представляют в виде реологических
моделей, в основу которых положены идеальные законы реологии (реализуемые в
идеальных телах: ИУТ, ИВТ, ИПТ)
ИУТ – идеально упругое тело (модель Гука)


E=tg
 - деформация (в долях)
P – напряжение сдвига, Па
E – модуль упругости (Юнга), Па
P
Модуль Юнга, Е (Па)
Молекулярные кристаллы
 109
Ковалентные кристаллы и
металлы
 1011
ИВТ – идеально вязкое тело (модель Ньютона)
Идеально
вязкая
жидкость
течет
в
соответствии с законом Ньютона, согласно
которому напряжение сдвига при ламинарном
течении
жидкости
с
вязкостью

пропорционально градиенту ее скорости du/dx
=tg

P
Деформация
при
постоянном
напряжении
пропорциональна
времени действия напряжения
1 Па·с = 10 П (пуаз) =
103
сП
вещество
, Па·с
Вода (293 К)
10-3
Газы
2·10-5
Вязкие жидкости
1-103
Твердые тела
1015-1020
ИПТ – идеально пластическое тело (модель Сен-Венана - Кулона)
Твердое тело, находящееся на плоской
поверхности; при движении этого тела трение
постоянно и не зависит от нормальной
(перпендикулярной к поверхности) силы

PT
К
элементу
сухого
трения
(идеальному
пластическому телу) не может быть приложено
напряжение, превышающее предел текучести.
Величина PT отражает прочность структуры тела
P
PT – предел текучести
т. Гука – консервативная система (нет рассеяния энергии в виде теплоты)
т. Ньютона и т. Сен-Венана – Кулона – диссипативные системы (есть
рассеяние энергии в виде теплоты)
§ 2. Модели реологических свойств тел
Рассмотренные выше модели (ИУТ, ИВТ, ИПТ) являются простейшими,
комбинируя их, можно получить различные более сложные модели,
описывающие реологические свойства самых разнообразных систем
Последовательное соединение элементов
Параллельное соединение элементов
Упруговязкая жидкость (УВЖ) – (тело Шведова - Максвелла)
(последовательно соединенные тела Гука и Ньютона)

P = const
После снятия напряжения
пластическая деформация
остается

В случае мгновенного растяжения с
сохранением в дальнейшем постоянной
величины деформации сила вязкого
сопротивления тормозит сжатие пружины
и напряжение постепенно спадает с
течением времени (релаксирует)
P
 = const
P0
P/e


 - характеристическое время или время релаксации
Нет принципиального различия в реологических свойствах реальных
жидкостей и твердых тел. Обе системы являются конденсированными фазами,
характеризующимися высокой плотностью и малой сжимаемостью.
Максвелл: механические свойства тел реализуются в ходе непрерывного
перехода от идеальной жидкости (ИЖ) к идеальному твердому телу (ИТТ).
Явление релаксации, как и процесс диффузии, связано с движением молекул или
частиц ДФ твердого тела
Для УВЖ характерна необратимость деформации. Как видно (с позиций
реологии), различие между жидкостями и твердыми телами не является резким и
носит кинетический (релаксационный) характер.
 <  - жидкость
 >  - твердое тело
Струя воды ( = 10-3 Па·с, Е = 1010 Па,  = 10-13 с) раскалывается пулей как
твердое тело
Вязкоупругое твердое тело (ВУТ) – (тело Кельвина - Фойгта)
(параллельно соединенные тела Гука и Ньютона)
Эластичность
Деформация развивается во времени (при P = P0), а скорость ее замедляется,
при этом при d/dt = 0 деформация достигает максимального значения. При
снятии нагрузки система возвращается в исходное состояние (в течение
определенного времени)
В отличие от упругости (E1 – модуль быстрой деформации),
характеризуемой мгновенными деформациями (равновесное состояние
достигается со скоростью, близкой к скорости звука в данном теле),
эластичность, или упругое последействие, проявляется во времени.
Эластичность тем больше, чем больше время релаксации.
Характеристикой эластичности является E2=P/ - модуль медленной
эластичной деформации.
В то время, как гуковские (упругие) деформации, как правило, не превышают
0.1 %, эластические деформации могут достигать сотен % (эластомеры)
Вязкопластическое тело (ВПТ) – (тело Бингама - Шведова)
(параллельно соединенные тела Ньютона и Сен-Венана – Кулона, к
которым последовательно присоединено тело Гука)
Уравнение
ШведоваБингама
В данном случае напряжение разбивается как бы на две составляющие:
напряжение РТ, необходимое для разрушения структуры и напряжения (Р-РТ),
осуществляющего собственно течение.
Ньютоновская
вязкость
учитывает
все
виды
сопротивления тела течению, а пластическая вязкость,
являясь частью ньютоновской, не учитывает прочности
структуры, но отражает скорость ее разрушения
§ 3. Классификация дисперсных систем по структурномеханическим свойствам
U
Конденсационно-кристаллизационные
(ККС)
и
коагуляционные структуры (КС) (по П.А. Ребиндеру)
r
II
I
ККС
КС
Конденсационно-кристаллизационное структурообразование,
отвечающее коагуляции в первичном потенциальном
минимуме,
осуществляется
путем
непосредственного
химического взаимодействия между частицами и их срастания
с образованием жесткой объемной структуры. ККС
характерны для связнодисперсных систем (твердая ДСр)
Под коагуляционными структурами понимают структуры, которые образуются при
коагуляции, соотвествующей вторичному минимуму на потенциальной кривой
взаимодействия частиц ДФ. Взаимодействие частиц ДФ осуществляется через
прослойки ДСр, оно непрочное, часто носит ван-дер-ваальсову природу.
Для коагуляционных структур характерна способность восстанавливать структуру
после ее механического разрушения – тиксотропия (коагуляционно-тиксотропные
структуры - КТС)
По реологическим свойствам реальные тела делят на жидкообразные
(предел текучести (РТ) равен нулю) и твердообразные (PT > 0)
n>1
n=1
n<1
P
Жидкообразные тела
Ньютоновские
жидкости ( ≠ f(P))
Неньютоновские
жидкости
Нестационарные
( = f(P),  = f(t))
Стационарные
Дилатантные
Псевдопластически е
Кривые течения
ур. Оствальда-Вейля (справедливо для
стационарных жидкообразных тел)
n = 1, k = : ньютоновская жидкость
n<1
для псевдопластических жидкостей характерно снижение
ньютоновской вязкости с ростом скорости деформации
сдвига
n>1
для дилатантных жидкостей ньютоновская вязкость растет с
увеличением скорости деформации сдвига
Согласно Рейнольдсу (1885): дилатансия – возрастание вязкости дисперсных
систем (концентрированных) при увеличении приложенной нагрузки
n>1
Твердообразные тела
n=1
n<1
P
Кривые течения
бингамовские
n=1
n<1
n>1
небингамовские
бингамовское тело
псевдопластическое твердообразное тело
пластическое дилатантное тело
Для типичных твердообразных тел характерен значительный предел
текучести. Хрупкое тело разрушается при нагрузке, меньшей предела
текучести (прочности)
Для нестационарных систем, реологические свойства которых изменяются со
временем, характерны явления тиксотропии и реопексии.
Тиксотропия – специфическое свойство коагуляционных структур. Разрушение
структуры выражается в разрыве контактов между частицами ДФ, а ее тиксотропное
восстановление – в возобновлении этих контактов вследствие подвижности среды и
броуновского движения частиц.
Реопексия (по Фрейндлиху) – образование геля из агрегативно неустойчивых золей с
сильно анизотропными частицами ДФ при вращении. Реопексия заключается в
возрастании прочности структуры (рост вязкости) со временем при действии
напряжения сдвига (при механическом воздействии)
синерезис  набухание
Слеживание – потеря сыпучими телами
способности течь
При малых нагрузках наблюдается медленное течение ДС с линейной зависимостью расхода
ДС от Р; течение отвечает высоким значениям . В этом случае время перемещения частицы
от одного контакта к другому превышает время установления контакта. Связи успевают
обратимо восстанавливаться и течение, таким образом. Происходит при совершенно
неразрушенной структуре. Это явление называется ползучестью (крипом)