Реологические свойства дисперсных систем

Понятие реологии и её значение в коллоидной химии

Реология — это наука о деформации и течении веществ под действием внешних сил. В коллоидной химии изучение реологических свойств дисперсных систем необходимо для понимания их поведения в технологических процессах, устойчивости и функциональных характеристик. Дисперсные системы, включая гидрозоли, эмульсии, пены и гели, проявляют сложные механические свойства, зависящие от концентрации частиц, их взаимодействия, структуры среды и внешних факторов, таких как температура и рН.

Вязкость и её зависимость от структуры

Вязкость коллоидных систем определяется сопротивлением текучести и является основным показателем их реологических свойств. Для истинных растворов вязкость описывается законом Ньютона, однако для коллоидных систем часто наблюдаются ньютоновские и неньютоновские течения.

• Ньютоновская вязкость — линейная зависимость сдвигового напряжения от скорости деформации. Типична для разбавленных гидрозолей, где частицы слабо взаимодействуют.
• Неньютоновская вязкость — нелинейная зависимость, проявляющаяся в более концентрированных системах или системах с выраженными ассоциациями частиц. Сюда относятся эффекты псевдонейтоновского, тиксотропного и реопектического поведения.

Вязкость дисперсной системы зависит от:

1. Объёмной доли дисперсных частиц — с ростом концентрации происходит экспоненциальное увеличение вязкости.
2. Взаимодействия между частицами — наличие сил Ван-дер-Ваальса, электрических двойных слоёв и адсорбированных макромолекул изменяет сопротивление течению.
3. Форма и размер частиц — асферические и фибриллярные частицы создают более сложные структурные сети, увеличивая вязкость.
4. Температура — повышение температуры обычно снижает вязкость за счёт увеличения кинетической энергии частиц и уменьшения межчастичных ассоциаций.

Псевдоньютоновские эффекты

Многие коллоидные системы демонстрируют неньютоновское течение. Основные виды:

• Тиксотропия — уменьшение вязкости при длительном сдвиге, сопровождаемое восстановлением исходной структуры после прекращения воздействия. Проявляется в гелях и суспензиях с сетчатой структурой.
• Реопексия — обратный эффект, когда вязкость увеличивается при сдвиге, часто наблюдается при структурировании или агрегации частиц под действием механического усилия.
• Псевдоньютоновское (дескриптивное) поведение — вязкость зависит от скорости сдвига, например, у концентрированных полимерных гидрозолей и пастообразных систем.

Упруго-вязкие свойства

Коллоидные системы часто проявляют одновременно свойства жидкости и упругого тела. Это выражается в комплексной вязкости, где выделяют:

• Эластическую компоненту — способность восстанавливаться после деформации, связана с сетчатой структурой и адсорбированными слоями.
• Вязкую компоненту — диссипация энергии через движение частиц и жидкости.

Эти свойства измеряются методами осцилляционной реологии, позволяющими определять модули упругости (G’) и вязкости (G’’).

Методы изучения реологических свойств

1. Вискозиметрия и реометры — позволяют измерять вязкость при разных скоростях сдвига, фиксируя неньютоновские эффекты.
2. Капиллярные и конус-пластинчатые методы — применяются для высококонцентрированных систем, обеспечивая точные данные о зависимости вязкости от напряжения сдвига.
3. Осцилляционная реология — анализирует упруго-вязкие свойства, строя графики модуля упругости и потерь в зависимости от частоты колебаний.

Факторы, влияющие на реологию дисперсных систем

• Концентрация и размер частиц — определяют плотность структурной сети.
• Температура и рН среды — влияют на заряд частиц и их взаимодействие.
• Присутствие электролитов и полимеров — модифицируют адсорбционные слои и электростатические взаимодействия.
• Время хранения и механическая обработка — могут приводить к структурной перестройке или старению системы.

Практическое значение

Реологические свойства коллоидных систем определяют:

• Технологические параметры переработки и транспортировки суспензий, эмульсий, паст.
• Формирование стабильных гелей и пенообразующих систем.
• Контроль качества лекарственных форм, косметических и пищевых продуктов.
• Понимание поведения природных коллоидов в почвах, воде и биологических средах.

Реология коллоидных систем — ключевой инструмент для прогнозирования их поведения в статических и динамических условиях, влияющий на устойчивость, функциональность и технологическую пригодность материалов.