Структурно-механічні властивості дисперсних систем.

Дата добавления: 2014-10-03 | Просмотров: 1648

Дисперсні системи з рідкою та твердою дисперсною фазою володіють такими ж механічними властивостями, як і всі інші конденсовані системи: в’язкість, пружність, пластичність та міцність. Ці властивості системи тісно пов’язані з її структурою, тому їх називають структурно - механічними властивостями.

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 потенціальної кривої (розділ 7, с.107) 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.

Рис. 64. Типи контактів між частинками.

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

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 міцніші, 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.

В залежності від реологічних властивостей дисперсні системи поділяють на рідиноподібні та твердоподібні. Рідкі і тверді тіла принципово не відрізняються між собою з точки зору їх реологічних властивостей. Вони характеризуються різним ступенем упаковки молекул і атомів, а природа сил зчеплення однакова.

Структурно-механічні властивості дисперсних систем залежать від концентрації дисперсної фази. У вільнодисперсних системах концентрація дисперсної фази як правило є невеликою тому частинки вільно рухаються в цілому об’ємі. 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. Такі системи називаються зв’язанодисперсними.

Рідини за структурно-механічними властивостями поділяються на ньютонівські та неньютонівські.

В’язкість ньютонівських рідин не залежить від напруження зсуву і є постійною величиною відповідно до закону Ньютона:

( 8.38)

F – сила тертя;

S - площа шару;

dU/dx - градієнт швидкості;

h - в’язкість.

До ньютонівських рідин відносяться розведені агрегативно стійкі дисперсні системи, що не утворюють просторових структур. Їх властивості близькі до властивостей дисперсійного середовища. Залежність в’язкості таких систем від концентрації дисперсної фази описується рівнянням Ейнштейна:

h = h₀(1 + aj) ( 8.39)

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

j - об’ємна частка дисперсної фази;

a - коефіцієнт форми частинок.

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,для таких рідин залежність напруження зсуву від швидкості деформації описує рівняння Оствальда - Вейля.

( 8.40)

e^• - швидкість деформації.

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

Ньютонівська в’язкість такої системи визначається за рівнянням:

( 8.41)

Для ньютонівських рідин n=1 і константа k співпадає з ньютонівською в’язкістю (рис.65, лінія 2).

Неньютонівські рідини для яких n>1 називають ділатантними, для них ньютонівська в’язкість росте зі збільшенням швидкості зсуву (рис.65, лінія 1).

Неньютонівські рідини для яких n<1 називають псевдопластичними, для них ньютонівська в’язкість росте зі зменшенням швидкості зсуву (рис.65, лінія 3).

Рис. 65. Криві течії рідиноподібних (а) та твердоподібних (б) тіл.

Тверді тіла характеризуються наявністю межі текучості Р_Т - значення напруження зсуву до досягнення якого тверде тіло не піддається деформації. Залежність напруження зсуву від швидкості деформації для твердих тіл описується рівнянням Бінгама:

( 8.42)

Твердоподібні дисперсні системи поділяють на бінгамовські та небінгамовські.

Для бінгамовських систем n=1 (рис.65, лінія 5).

Небінгамовські тіла для яких n>1 називають пластичними ділатантними (рис.65, лінія 4), а тіла для яких n<1 називають псевдопластичними твердими тілами (рис.65, лінія 6).