§5. Реологические свойства дисперсных систем

Основы теории вязкости разбавленных лиозолей (суспензий) были заложены Эйнштейном. Он исходил из гидродинамических уравнений для систем макроскопических твердых сферических частиц, которые при сдвиге приобретают дополнительное вращательное движение. Возникающее при этом рассеяние энергии является причиной возрастания вязкости. Эйнштейном была установлена связь между вязкостью дисперсной системы η и объемной долей дисперсной фазы φ:

где η₀ - вязкость дисперсионной среды.

Неоднократные экспериментальные проверки уравнения Эйнштейна в основном подтвердили его справедливость. Было установлено, что коэффициент при φ зависит от формы частиц, поэтому уравнению Эйнштейна можно придать более общий вид:

где k - коэффициент, зависящий от формы частицы дисперсной фазы.

Из теории Эйнштейна следует, что разбавленные и устойчивые дисперсные системы являются ньютоновскими жидкостями, их вязкость линейно связана с объемной долей дисперсной фазы.

Коэффициент k для частиц, форма которых отличается от сферической, как правило, больше 2,5. При значительных отклонениях формы частиц от сферической система может превратиться в неньютоновскую жидкость, вязкость которой зависит от напряжения сдвига (или от скорости течения). Например, частицы в виде вытянутых палочек ориентируются в потоке, поэтому вязкость системы уменьшается с увеличением скорости течения.

Чтобы объяснить реологическое поведение структурированных жидкообразных систем, используем кинетические представления о структуре, которую можно рассматривать как трехмерную сетку из подвижных частиц, подверженных броуновскому движению. Для выхода частицы из структурного каркаса ей необходимо преодолеть энергетический барьер. С увеличением напряжения сдвига вероятность разрушения структуры возрастает. Другим важным реологическим параметром структуры является время релаксации, которое характеризует скорость восстановления структуры. При малых временах релаксации структуры успевают восстанавливаться в процессе течения даже при больших напряжениях сдвига.

Течение, при котором структура успевает обратимо восстановиться, принято называть ползучестью.

При увеличении напряжения структура разрушается (вязкость уменьшается) и восстановиться не успевает. Уменьшение вязкости отражается подъемом кривой течения и увеличением угла наклона, отвечающего пластической вязкости в уравнении Бингама. Экстраполяция этой части кривой к оси напряжений позволяет получить значение предельного напряжения сдвига P* (предела текучести в уравнении Бингама), характеризующего усилие, необходимое для разрушения структуры, т. е. прочность структуры. Дальнейшее увеличение напряжения сдвига вызывает полное разрушение структуры: конечный участок кривой течения отвечает течению жидкости согласно закону Ньютона с наименьшей ньютоновской вязкостью. Экстраполяция этого линейного участка кривой обычно приводит в начало координат. Рассмотренные реологические свойства типичны для систем с коагуляционной структурой.

Кривые течения структурированных жидкообразных систем могут быть представлены также в координатах вязкость - напряжение сдвига. На рис.41 показаны типичные кривые течения для таких систем в координатах скорость течения (деформации) - напряжение сдвига и вязкость — напряжение сдвига.

Рис.41. Кривые течения жидкообразных структурированных систем.

P* - динамическое предельное напряжение сдвига, соответствующее пределу текучести по Бингаму; P_мин - минимальное напряжение сдвига, отвечающее полностью разрушенной структуре

Из рисунка видно, что свойства структурированных жидкообразных систем могут быть охарактеризованы тремя величинами вязкости: двумя ньютоновскими η_макс для неразрушенной структуры, η_мин для предельно разрушенной структуры и пластической вязкостью η* в промежуточной области, моделируемой уравнением Бингама.

Дисперсные системы становятся твердообразными, когда в них начинает проявляться предел текучести и исчезает возможность перехода в состояние предельно разрушенной структуры без разрыва сплошности системы при увеличении напряжения сдвига. Явно выраженным пределом текучести обладают пластичные твердообразные тела. Очевидно, что с увеличением прочности структуры растет предел текучести.

При напряжениях, несколько превышающих предел текучести, они легко принимают любую форму и не обнаруживают течения при напряжениях, меньших предела текучести, например, под действием силы тяжести. Для достаточно прочных твердообразных тел наибольшая предельная вязкость практически бесконечно велика, она может в миллионы раз превышать вязкость предельно разрушенной структуры. Статическое предельное напряжение сдвига Р_ст отвечает наиболее резкому снижению вязкости, что означает такое же сильное разрушение структуры. При последующем увеличении нагрузки степень разрушения структуры возрастает, а затем разрушается само тело.

После снятия нагрузки (до момента разрушения тела) структура со временем восстанавливается (проявление тиксотропии).

Твердообразные дисперсные системы, сплошная пространственная сетка которых заполнена жидкостью, в коллоидной химии называют гелями. В соответствии с этим названием иногда термин «структурообразование» заменяют на «гелеобразование», особенно если структура образуется в системах с жидкой дисперсионной средой.

При значительном содержании в нефти парафинов, смол и асфальтенов ее вязкость зависит от напряжения сдвига, т.е. она приобретает свойства неньютоновских жидкостей. Парафины и асфальтены из-за их малой растворимости могут находиться в нефти в виде частиц коллоидных размеров, которые стабилизированы смолами. Структурообразование в нефти в процессе коагуляции этих частиц сопровождается аномальным увеличением ее вязкости. Особенно интенсивно в пластовых условиях образование пространственной сетки происходит при понижении температуры пласта вследствие закачки воды.

Закономерно, что проводимость пород при фильтрации структурированных нефтей в значительной степени зависит от градиентов давления. При небольших значениях градиентов проводимость может быть в десятки раз меньше, чем при высоких, что соответствует существенному уменьшению вязкости неньютоновской системы при возрастании напряжения сдвига.

Структурированные нефти обладают свойством тиксотропии.

Многофазные буровые промывочные жидкости также являются неньютоновскими. В первом приближении их принято рассматривать как вязкопластичные системы, описываемые моделью Бингама.

Список литературы

Учебники

1. Курс физической химии под ред Я .И .Герасимова, т.1,М.:ГХИ, 1963,

2. Стромберг А.Г., Физическая химия, изд.2, М.:Высшая школа, 1988,

3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии.- М.: Мир, 1989

4. Фридрихсберг Д.А.

.