7.6. Тиксотропия промывочных жидкостей
Тиксотропия - это способность дисперсных систем изменять структуру в покое и течении.
"Тиксотропия - способность дисперсных систем восстанавливать исходную структуру, разрушенную механическим воздействием"45. Здесь под структурой понимают гель-пространственный каркас слипшихся частиц твердой фазы дисперсных систем с жидкой фазой внутри. Более точно понятие тикостропии дается в химическом энциклопедическом словаре: "Тиксотропия - обратное изменение физико-механических свойств полимерных и дисперсных систем при механическом воздействии в изотермических условиях. Для жидких сред проявляется в понижении вязкости при течении и ее постепенном повышении после прекращения течения, для вязко-пластичных сред - в уменьшении предела прочности при деформировании и восстановлении его исходного значения. (т.е. восстановления его структуры - геля) при отдыхе"46.
"При течении такой структурированной жидкости работа внешних сил затрачивается не только на преодоление вязкости воды, но и на разрушение структуры. Такая структурная вязкость зависит от градиента скорости". [14]
Трудно согласиться с тем, что при течении структурированной жидкости затрачивается энергия на разрушение структуры и что эта энергия зависит от скорости течения, т.к. коагуляционные структуры весьма слабы и легко разрушаются уже в начальный момент течения.
В свете новых представлений о структуре промывочных жидкостей процесс тиксотропии можно трактовать следующим образом. В покое за счет объемной энергии твердой фазы дисперсной системы скорость осцилляции молекул воды резко снижается, молекулы воды ориентируются относительно частиц твердой фазы, увеличивается прочность структуры воды, вода принимает вид твердообразного тела - геля. Такие гели могут возникать и под воздействием сильнозаряженных комплексообразующих ионов (например Сг2О7).
Одновременно с увеличением прочности структуры воды может наблюдаться увеличение взаимодействия частиц твердой фазы за счет ван-дер-ваальсовых сил. Данные макромолекулы полимеров в результате водородных связей образовывают пространственные сетки.
При движении промывочной жидкости упорядоченная структура молекул воды разрушается и ее прочность и вязкость понижается.
Чем больше скорость движения промывочной жидкости, тем слабее ориентированы ее молекулы, тем меньше межмолекулярное взаимодействие и вязкость промывочной жидкости. Естественно, на величину вязкости будет оказывать влияние также и сила трения (взаимодействие) между частицами твердой фазы.
Выводы:
1. 3а критерий вязкости ньютоновских жидкостей рекомендуется в соответствии с определением принимать не некий не имеющий физического смысла коэффициент вязкости, а её касательные напряжения, учитывающие коэффициент трения, плотность жидкости и скорость её течения:
2. Величина коэффициента трения воды в ламинарном режиме определяется прочностью её межмолекулярных связей, поэтому также как и прочность структуры воды обратно пропорциональна расстоянию до поверхности стенок канала и скорости ее течения:
т.е. эта величина обратная числу Рёйнольдса.
3.Величина коэффициента трения воды в турбулентном режиме увеличивается на величину дополнительного сопротивления fn возникающего в результате поперечного перемещения воды под воздействием радиальных усилий.
4. Коэффициент вязкости разбавленных структурированных жидкостей равен
а для концентрированных
Показатель степени n зависит от концентрации и типа структурообразователя (прочности структуры).
Численное значение коэффициента трения структурированных жидкостей равно эффективной вязкости, делённой на плотность жидкости:
5. С увеличением концентрации твёрдой фазы область ламинарного (структурного) режима жидкости возрастает. В области турбулентного режима глинистых растворов коэффициент трения близок коэффициенту трения чистой воды.
6. Вязкость полимерных растворов при постоянной скорости течения с течением времени постепенно понижается вследствие агрегатирования полимеров.
7. С увеличением температуры вязкость концентрированных глинистых растворов повышается вследствие уменьшение толщины гидратной плёнки между частицами.
Вязкость полимерных растворов при температуре выше критической понижается вследствие термоокислительной деструкции полимеров. При наличии в растворе инициаторов полимеризации процесс деструкции резко замедляется.