Основные понятия и законы в реологии

Реология использует и классические законы течения материальных тел. Она позволяет с помощью ограниченного числа параметров описать реакцию системы на механическое воздействие. В качестве таких параметров используются: напряжение сдвига (P, Па), скорость развития деформации (D, 1/с), вязкость (η, Па*с). Связь между этими величинами и есть выражение механического поведения системы [2].

Основным методом реологии является рассмотрение механических свойств на определенных реологических моделях. Различают три простейшие случая механического поведения (три простых модели): упругое, вязкое и пластическое. Комбинируя их, можно получить различные более сложные модели, описывающие реологические свойства самых разнообразных систем.

Упругое поведение характеризуется прямой пропорциональной зависимостью между P и D и описывается законом Гука:

P=G*D

Здесь G – модуль сдвига. Графическое выражение закона Гука представлено на рис. 3.

Рис. 3

Упругое поведение при сдвиге свойственно, прежде всего, сплошным твердым телам.

Вязкое поведение (вязкое течение) характеризуется прямой пропорциональностью между напряжением сдвига P и скоростью деформации сдвига D=dγ/dt и описывается законом Ньютона:

P=η*D,

где η – вязкость [Па*с].

Графически (рис. 4) в координатах D–P этому отвечает прямая, проходящая через начало координат; котангенс угла ее наклона к оси абсцисс равен вязкости η. Системы, поведение которых подчиняется закону Ньютона, называются ньютоновскими; для них η=const.

Рис. 4

Если частицы дисперсной фазы анизометричны (палочки, пластинки), то течение такой системы в некотором диапазоне напряжений сдвига отклоняется от ньютоновского вследствие постепенной ориентации частиц по потоку по мере роста напряжения сдвига и уменьшения вязкого сопротивления (рис. 5)[2].

Рис. 5

Системы, в которых наблюдается зависимость вязкости от скорости течения (напряжения сдвига) называются аномальными, или неньютоновскими.

Пластичность (пластическое течение).

Для идеализированных пластичных тел при напряжениях сдвига, меньше предельного сдвига (предела текучести) P*, течения не происходит (D=0). При достижении Р* начинается пластическое течение с заданной скоростью, для поддержания которого не требуется дальнейшего заметного повышения напряжения (рис. 6).

Рис. 6

Пластичное тело, в отличие от жидкости, после снятия напряжения сохраняет приданную ей форму[2].

Большинство структурированных дисперсных систем с коагуляционными структурами имеет более сложное поведение, проявляя и пластичные, и вязкие свойства (в зависимости от приложенных напряжений) [1]. Во многих случаях поведение таких систем может быть описано уравнением Бингама:

P=P*+ηв*D,

где ηв – коэффициент пропорциональности (бингамовская вязкость).

Графически этому уравнению отвечает зависимость D(P), представленная на рис. 7. При Р<Р* - течения не происходит, т.к. коагуляционная структура способна противостоять разрушающему действию напряжений. При Р>Р* начинается течение, скорость которого нарастает по мере разрушения структуры и сдвига равновесия [2].

Рис. 7

Вязкость такой системы – величина переменная и уменьшается с ростом напряжения сдвига. Величина Р* - бингамовское напряжение сдвига, соответствующее интенсивному разрушению структуры, может рассматриваться как характеристика ее прочности (на сдвиг).

Для реальных связнодисперсных систем с коагуляционной структурой можно рассматривать целый спектр состояний между двумя крайними случаями: с неразрушенной структурой и с полностью разрушенной структурой. В зависимости от приложенного напряжения сдвига (скорости течения) реологические свойства структурированных дисперсных систем могут меняться в широких пределах – от свойств, присущих твердым телам, до свойств, характерных для ньютоновских жидкостей[7].

Это разнообразие реологического поведения реальных дисперсных систем с коагуляционной структурой описывается (по Ребиндеру) полной реологической кривой (рис. 8).

Рис. 8

На участке I течение отсутствует, т.к. структура способна выдерживать напряжения без разрушения контактов. Участок II соответствует области ползучести – вязкопластичного течения в системе с «почти неразрушенной структурой», когда разрушение коагуляционных контактов компенсируется их восстановлением. Участок III – область вязкопластического течения системы с энергично разрушаемой структурой (течение по Бингаму). Участок IV – ньютоновское течение системы с полностью разрушенной структурой и минимальной вязкостью η_min[2].