Течение и вязкость структурированных золей и суспензий

В тридцатых годах автор и другие исследователи использовали вискозиметрию для регистрации коагуляционного взаимодействия и оценки свойств образовавшихся структур. После работ П. А. Ребиндера, Н.В.Михайлова и их сотрудников, по принципам реологической характеристики структурированных систем, возник вопрос о ценности результатов вискозиметрии неньютоновских жидкостей. Действительно, оказалось (рис. 1), что значение эффективной вязкости разбавленных структурированных золей и суспензий сильно зависит как от градиента скорости течения, так и от диаметра и длины капилляра вискозиметра, т. е. от тангенциального напряжения. Не только значение rj3, но и характер ее зависимости от Sv неинвариантен, если строго не ограничены условия течения.

Исследование кинематики течения 0,05-0,5% гидрозолей V205; 0,2-1,6% грэмовских золей Fe(OH)3; 0,5-10,0% суспензий бентонита и каолина, к которым добавлены электролиты (ниже порога коагуляции), а также 0,25-2,5% суспензий церезина в вазелиновом масле показало, что в начале движения макроскопическое распределение скоростей и напряжений имеет случайный и плохо воспроизводимый характер. Кинетическая структура потока при невысоких скоростях сдвига (< 1 см/сек) становится определенной и стабильной только после 30-150 см пути1.

Наблюдается три вида течения разбавленных структурированных систем: 1) ограниченное слоем (часто узким), прилегающим к подвижному цилиндру прибора (см. раздел 1); 2) охватывающее всю жидкость, но распределение скоростей и напряжений существенно неньютоновское (некуэттовское течение); 3) течение всей жидкости имеет характер близкий к куэттовскому, иногда с отдельными временными отклонениями от него.

Характер течения зависит от скорости. Так у 0,75% тик-сотропного золя Fe(OH)3 при максимальной скорости сдвига 0,25 см/сек течение имело первый вид, при 0,25-1,1 см/сек — второй и выше 1,1 см/сек — третий. Но в пределах исследованного диапазона скоростей более важную роль играет концентрация системы и прочность коагуляционных связей. Сильно разбавленные золи V2O5 и Fe(OH)3 никогда не принимали первого вида течения, а относительно концентрированные структурированные сус-

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости (г]э) 1% суспензии церезина в вазелиновом масле от градиента скорости течения (Sv) в капиллярных вискозиметрах. I — в вискозиметре Оствальда, II — в U-образном вискозиметре, III — в вискозиметре Уббелоде, IV — вазелиновое масло в вискозиметрах I, II, III.

пензии глин и взвеси парафина в маслах не формировали второго или третьего вида потока. Роль коагуляционного взаимодействия в развитии структуры потока видна из табл. 1, из которой следует, что характер течения определяется также числом и прочностью коагуляционных связей.

При первом виде течения у разбавленных систем можно с достаточной точностью измерить статическое предельное напряжение сдвига. В случае очень малых значений G этот способ относится к числу наиболее чувствительных. Хотя в общем первый вид течения отвечает системам со статическим, а второй — с динамическим предельным напряжением сдвига, но полного соответствия между микро- и макрореологическими определениями нет, вследствие различия в чувствительности методов и влияния расстояния от стенок сосуда на предел текучести мягких дисперсных систем.

Распределение скоростей сдвига второго вида течения неоднородно (рис. 2). На отдельных участках оно может быть близко к куэттовскому, в то время как на других — скорость периодически меняет направление, что указывает на циркуляцию. Локальная турбулентность при низких значениях числа Рейнольдса, в конечном счете, приводит к снижению его критического значения, отмеченное еще в первых работах по вискозиметрии коллоидов .

В потоке выделяются несколько участков движущихся как одно целое в течение значительного времени. Такие участки образуются в области средних, а иногда и наибольших значений приложенного напряжения (у подвижного цилиндра), что указывает на механическую неоднородность коагуляционных структур.

в качестве

реологических параметров жидкостей с аномальной вязкостью и отсутствии физического смысла у случайных значений эффективной вязкости этих систем.

Теория вязкости коллоидных растворов приводит, пренебрегая членами высшего порядка, к следующей зависимости:

Если все исследователи придают первому коэффициенту эйнштейновское значение, то принятая модель частиц и

после 5 месяцев предварительного старения концентрированных систем 2,3; после 36 месяцев 3,3; после 85 месяцев 4,5. Следовательно, при старении в золе увеличивается число связей неразрушающихся при разбавлении и обладающих прочностью, превышающей приложенное напряжение.

превышающему 0,74, а это невозможно, так как соответствует более компактной упаковке, чем плотноуложен-ные шары. Исследование кинематики течения показывает, как это можно было ожидать и из других соображений, что часть энергии расходуется потоком на разрыв связей и локальную циркуляцию. Разделить составляющие сопротивления потоку не удалось, но по мере уменьшения градиента скорости роль связей частиц должна возрастать и в пределе щ может рассматриваться как характеристика динамической прочности структуры.

Для изучения условий перехода пространственной структуры в компактную, синерезиса и коагуляции гелей, представляют интерес даже качественные показатели морфологии неразрушенной или неполностью разрушенной структуры. Если исключить разбавленные взвеси палочкообразных частиц, то, как правило, расположение частиц в структуре беспорядочное. За размер структурных отдельностей можно принять расстояние между слабыми местами. Оно непосредственно видно на кривых распределения скоростей второго вида течения (рис. 2). Размер отдельно стей становится более определенным, если задать критическое напряжение, разрушающее структуру. На рис. 3 представлены осциллограммы пульсации напряжения в однородном плоском зазоре. Они позволяют измерить среднюю длину участка структуры, выдерживающей напряжение сдвига до 16 дин/см2.

Сопоставление кривых течения дисперсных систем, обладающих аномальной вязкостью, убеждает в том, что у исследованных объектов (см. выше) отклонение от уравнения вязкости Ньютона является признаком возникновения коагуляционных связей между частицами, и поэтому вискозиметрия коллоидных растворов применима, несмотря на отмеченные ограничения, для регистрации коагуляционного взаимодействия. Повторные кривые вязкость-напряжение (гистерезисные кривые по М.П. Во-ларовичу и В. Л. Вальдман, Грин и Вельтман) позволяют судить

о восстанавливаемости разрушенных связей. Некоторые характеристики, в том числе вискозиметрические, тиксотропии, тиксола-бильности и реопексии рассмотрены в.