4.4. Реологические кривые жидко- и твердообразных структурированных дисперсных систем

При рассмотрении результатов исследования реологических свойств структурированных систем можно выделить два характерных типа полных реологических кривых для систем

- с жидкообразной структурой, у которых течение начинается вслед за приложением напряжения (рис. 2.40);

– с твердообразной структурой, течение которых начинается только после некоторого предельного напряжения (рис. 2.41).

Полные реологические кривые характерны для течения относительно разбавленных растворов полимеров, поверхностных слоев ПАВ, некоторых тиксотропных дисперсий. В таких системах образуются жидкообразные структуры. При постоянном напряжении сдвига, время действия которого больше периода релаксации, устанавливается стационарное течение. При небольшом напряжении сдвига система течет без разрушения структуры с высокой вязкостью h₀ (участок 0 – Р_s на рис. 2.40). Отмеченное на оси значение Р_s, называемое статическим напряжением сдвига, является критическим напряжением, которое необходимо для разрушения структуры, образовавшейся в системе в статических условиях. При этом первом критическом напряжении сдвига начинается частичное обратимое разрушение структуры.

При напряжении Р_sk разрушение структуры завершается. Следовательно, Р_sk – то критическое напряжение сдвига, которое необходимо для полного разрушения структуры, образовавшейся в стационарных условиях. Если бы в системе не восстанавливалась обратимо тиксотропная структура, то при Р >Р_sk система обладала бы свойствами истинной ньютоновской жидкости.

Однако для течения жидкой структурированной системы часть работы будет расходоваться на разрушение этой тиксотропно восстанавливающейся структуры, а Р_m – напряжение, после которого жидкость приобретает свойства ньютоновской жидкости, т.е. то критическое максимальное напряжение, необходимое для полного разрушения структуры, образовавшейся в статических условиях и восстанавливающейся в динамических. Все критические значения напряжения сдвига можно выявить только на полной реологической кривой в координатах «g– Р». При выражении полной реологической кривой в координатах «h_ef– Р» можно достаточно четко выделить Р_s и Р_m , т.е. критические значения напряжения начала и завершения разрушения структуры. Можно отметить два значения вязкости: в области напряжений (0 – Р_s) – вязкость, эффективная для жидкости с неразрушенной структурой, и в области Р > Р_m – вязкость ньютоновской жидкости с полностью разрушенной структурой. В промежуточной области напряжений (Р_s - Р_m) вязкость монотонно уменьшается от величины h₀ до h_m.

При достижении критического статического напряжения сдвига Р_s, необходимого для разрушения твердообразной структуры, образовавшейся в статических условиях, система начинает необратимо деформироваться, и наблюдается пластическое течение с переменной вязкостью вплоть до напряжений Р_d,после чего пластическое течение происходит с постоянным динамическим (тиксотропным) восстановлением структуры. Этот участок кривой описывают уравнением Бингама и говорят о бингамовской вязкости дисперсной системы h_min.

На участке Р_sk – Р_d эффективная (кажущаяся) вязкость изменяется в очень широких пределах, иногда различие составляет два и более порядка. Участок реологической кривой с постоянной вязкостью h_max характерен для, так называемой, шведовской жидкости, которая характеризуется пластично-вязким течением. Уравнение Шведова для описания этого участка имеет вид

P = P_s + h^*_max , (2.4.59)

где h^*_max – пластическая эффективная (шведовская) вязкость. Участок напряжений Р_d – Р_m характеризуется уравнением Бингама в форме

P = P_s + h^*_min , (2.4.60)

где h^*_min – пластическая эффективная (бингамовская) вязкость.

Построение полных реологических кривых течения позволяет определить ряд постоянных для описания структурно-механических свойств дисперсных систем.

В области от Р_s до Р_m эффективная вязкость зависит от доли обратимо (тиксотропно) восстанавливающихся связей между частицами и эта зависимость для жидкообразных структур имеет вид

. (2.4.61)

Уравнение (2.4.61) предложил П.А. Ребиндер.

Для твердообразных структур это уравнение будет иметь вид

. (2.4.62)

Как показал М. Кросс для жидкообразных структур степень восстановления структуры

, (2.4.63)

где K = k_i / k₀ – постоянная относительной скорости разрушения структуры; k_i, k₀– постоянные скорости разрушения при градиенте скорости, соответственно и = 0.

Уравнение (2.4.61) с учетом уравнения (2.4.63) можно привести к линейной форме, если использовать величину, обратную вязкости, т.е. 1/h, называемую текучестью:

. (2.4.64)

Если h_m << h₀, то

. (2.4.65)

Постоянная С зависит от концентрации растворов, температуры, химической природы и молекулярной массы полимеров.