Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 16

Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела: атомов, молекул, мелких частиц. Структура разбавленных агрегативно устойчивых дисперсных систем по ряду свойств очень похожа на структуру истинных растворов. Основное отличие состоит в том, что в дисперсных (гетерогенных) системах частицы дисперсной фазы и молекулы дисперсионной среды сильно различаются по размерам. 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 понятия 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 их агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности структуры свободнодисперсная система переходит в связнодисперсную систему.

Широкий спектр структурно-механических свойств отражает многообразие природных и синтетических тел, большинство из которых являются дисперсными системами со всевозможной комбинацией фаз, различающихся природой и агрегатным состоянием, размером частиц и взаимодействиями между ними. Поэтому структурно-механические свойства дисперсных систем представляются непрерывным и бесконечным рядом не только промежуточных, аддитивно складываемых свойств, но и качественно новых, не присущих отдельным компонентам. Умение управлять процессами, протекающими в дисперсных системах, открывает неограниченные возможности для получения материалов с заданными свойствами.

При образовании коагуляционных структур взаимодействие частиц, осуществляемое через прослойки дисперсионной среды, является, как правило, ван-дер-ваальсовым, и поэтому пространственный каркас такой структуры не может отличаться высокой прочностью. Механические свойства коагуляционных структур определяются не столько свойствами частиц, образующих структуру, сколько характером и особенностями межчастичных связей и прослоек среды.

Коагуляционные структуры имеют обычно жидкую дисперсионную среду. Для них характерна способность восстанавливать структуру во времени после ее механического разрушения. Это явление получило название тиксотропии . Соответственно подобные структуры часто еще называют коагуляционно-тиксотропными.

Самопроизвольное восстановление коагуляционной структуры свидетельствует о том, что она обладает наибольшей механической прочностью при относительном минимуме энергии Гиббса.

В практической деятельности люди используют реальные тела с разнообразной структурой. Как правило, материалы и изделия из них являются твердыми телами, имеющими конденсационно-кристаллизационные структуры (металлы, сплавы, керамика, бетон и др.), а сырье и промежуточные продукты чаще всего представляют собой жидкообразные или твердообразные системы с коагуляционной структурой. Последние очень удобны в технологии материалов, поскольку обеспечивают возможность регулирования состава и однородности, а в технологии изделий - регулирование процессов формования и др.

Рис.39. Типичные кривые течения жидкообразных тел:

1- ньютоновские жидкости; 2- псевдопластические жидкости; 3- дилатантные жидкости

Рис.40. Типичные кривые течения твердообразных тел:

1 - бингамовское тело; 2 -псевдопластическое твердообразное тело; 3 - пластическое дилатантное тело

Разнообразие структур в реальных дисперсных системах не позволяет четко разделить их. Безусловно, существует множество промежуточных состояний систем. И все же предложенная П.А. Ребиндером классификация структур дисперсных систем помогает связать механические свойства тел с их строением.

Имеются классификации тел, основанные на их реологических свойствах. В соответствии с этими свойствами все реальные тела принято делить на жидкообразные (предел текучести равен нулю, P* = 0) и твердообразные (P* > 0).

Жидкообразные тела классифицируют на ньютоновские и неньютоновские жидкости .

Ньютоновскими жидкостями называют системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона.

Течение неньютоновских жидкостей не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига. В свою очередь, они подразделяются на стационарные, реологические свойства которых не изменяются со временем, и нестационарные, для которых эти характеристики зависят от времени. Среди неньютоновских стационарных жидкостей различают псевдопластические и дилатантные. Типичные зависимости скорости относительной деформации жидкообразных тел от напряжения сдвига (кривые течения, или реологические кривые) представлены на рис.39.

Экспериментальные исследования показали, что графические зависимости между напряжением сдвига и скоростью деформации, представленные в логарифмических координатах, для стационарных жидкообразных систем часто оказываются линейными и различаются только тангенсом угла наклона прямой. Поэтому общую зависимость напряжения сдвига от скорости относительной деформации можно выразить в виде степенной функции:

(XIV.7)

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

Двухпараметрическое уравнение (XIV.7) известно под названием математической модели Оствальда - Вейля.

Если п = 1, жидкость является ньютоновской и константа k совпадает со значением ньютоновской вязкости η (прямая 1на рис.39). Таким образом, отклонение п от единицы характеризует степень отклонения свойств жидкости от ньютоновских. Для псевдопластических жидкостей (п < 1)характерно снижение вязкости с ростом скорости деформации сдвига (кривая 2на рис.39). Для дилатантных жидкостей n > 1 и вязкость растет с увеличением скорости деформации сдвига (кривая 3на рис.39).

Разбавленные дисперсные системы с ровноосными частицами обычно представляют собой ньютоновские жидкости. К псевдопластическим жидкостям относятся суспензии, содержащие асимметричные частицы, и растворы полимеров. По мере увеличения напряжения сдвига частицы суспензии постепенно ориентируются своими большими осями вдоль направления потока. Хаотическое движение частиц меняется на упорядоченное, что ведет к уменьшению вязкости. Дилатантные жидкости встречаются редко, их свойства характерны, например, для некоторых керамических масс. Дилатантное поведение наблюдается у дисперсных систем с большим содержанием твердой фазы. При течении таких дисперсных систем под действием малых нагрузок дисперсионная среда играет роль смазки, уменьшая силу трения и соответственно вязкость. С возрастанием нагрузки плотная упаковка частиц нарушается (разрыхляется), объем системы несколько увеличивается (увеличивается межчастичный объем), что приводит к оттоку жидкости в расширенные участки и недостатку ее для смазки трущихся друг о друга частиц, т. е. вязкость возрастает.

Твердообразные дисперсные системы подразделяют на бингамовские и небингамовские. Их поведение описывается общим уравнением:

При п = 1уравнению следует бингамовское тело, n > 1 — пластическое дилатантное тело и п < 1— псевдопластическое твердообразное тело (рис.40).

Необходимо отметить, что твердообразные и жидкообразные тела отличаются не только наличием или отсутствием предела текучести, но и определенным поведением при развитии деформации. Для структурированных жидкостей с ростом нагрузки характерен переход к ньютоновскому течению, отвечающему предельно разрушенной структуре; для твердообразных тел увеличение нагрузки приводит к разрыву сплошности тела и его разрушению. Имеется множество систем, обладающих промежуточными структурно-механическими свойствами.

По реологическим свойствам к бингамовским твердообразным системам очень близки промывочные жидкости, шламы, масляные краски т. д. Они отличаются небольшим пределом текучести, а при развитии деформации ведут себя как структурированные жидкости. Такие системы относят к неньютоновским жидкостям.

Для типичных твердообразных тел характерен значительный предел текучести. Хрупкое тело разрушается при нагрузке, меньшей предела текучести (предела упругости). В большинстве реальных твердых тел пластические деформации развиваются при всех нагрузках, но часто в области малых нагрузок ими можно пренебречь.

Таким образом, деление твердых тел на упругие, пластичные и хрупкие также до известной степени условно, так как характер деформации зависит от условий, типа напряжений, продолжительности их действия и других факторов. К хрупким твердообразным телам можно отнести неорганические материалы типа бетонов, керамики и др. Металлы и сплавы обладают пластическими свойствами. Высокоэластическое и вязкотекучее состояния более характерны для органических пластиков.

Для нестационарных систем, реологические свойства которых изменяются со временем, характерно явление тиксотропии. Тиксотропия - специфическое свойство коагуляционных структур. Разрушение структуры выражается в разрыве контактов между частицами дисперсной фазы, а ее тиксотропное восстановление - в возобновлении этих контактов вследствие подвижности среды и броуновского движения частиц. Восстановление структуры обычно контролируется по увеличению вязкости системы, поэтому явление тиксотропии можно определить как уменьшение вязкости системы во времени при наложении нагрузки и постепенный рост вязкости после снятия нагрузки.

Ярко выраженной тиксотропией обладают суспензии бентонитовой глины с концентрацией дисперсной фазы более 10%. В спокойном состоянии эта система представляет собой пластическое твердообразное тело, которое не течет под действием силы тяжести. После встряхивания суспензия настолько разжижается, что может легко вытекать из сосуда. Через определенное время выдерживания суспензии в спокойном состоянии она снова превращается в нетекучую структурированную систему. Это обстоятельство необходимо учитывать при перекачке суспензий, которые могут затвердевать в случае возможной остановки насосов.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 13 14 1516