Вязкость суспензий определяется как сопротивление текучести системы частиц, взвешенных в жидкости. Она зависит от концентрации твердых частиц, их формы, размера, распределения по величине, а также взаимодействий между частицами и с дисперсионной средой. Для низкоконцентрированных суспензий применима модель Ньютона, где вязкость растет пропорционально концентрации частиц. При высоких концентрациях взаимодействие частиц становится доминирующим фактором, и реологическое поведение переходит в область неньютоновских жидкостей.
Формула Эйнштейна для вязкости разбавленных суспензий:
η = η0(1 + 2.5ϕ)
где η — вязкость суспензии, η0 — вязкость дисперсионной среды, ϕ — объемная доля твердых частиц.
При концентрациях выше 5–10% необходимо учитывать межчастичные взаимодействия, что приводит к формуле Кузнецова–Гузенко:
η = η0(1 + 2.5ϕ + kϕ2)
где k зависит от формы и взаимодействий частиц.
Многие суспензии проявляют неньютоновское поведение: при увеличении сдвигового напряжения вязкость уменьшается (псевдопластичность) или увеличивается со временем (реопексия). Псевдопластичность обусловлена разрушением структуры агрегатов под действием сдвига. Реопексия возникает при формировании временных структурных сетей в высококонцентрированных системах.
Реологические свойства тесно связаны со структурой суспензий. Частицы способны образовывать агломераты, флокулы или сетчатые структуры, что увеличивает вязкость и вызывает упруго-вязкие эффекты. Степень агрегации определяется коллоидной стабильностью, поверхностным зарядом частиц и присутствием стабилизаторов.
Измерение вязкости и других реологических характеристик проводится с помощью вискозиметров и реометров различного типа: капиллярные, ротационные, конические. Для изучения неньютоновских и структурированных суспензий применяются кривые зависимостей вязкости от сдвигового напряжения и времени сдвига.
Реологические свойства определяют технологические параметры суспензий при транспортировке, смешивании, фильтровании и распылении. Контроль вязкости и псевдопластичности позволяет оптимизировать процессы производства керамики, красок, фармацевтических суспензий и косметических средств.
Флокуляция частиц ведет к образованию сетчатой структуры, которая повышает вязкость и может вызвать переход к пластичному или тиксотропному поведению. Диспергирование или введение стабилизаторов разрушает эти структуры, снижая вязкость и обеспечивая стабильность потока.
Некоторые суспензии проявляют сочетание упругих и вязких свойств. При малых сдвигах структура сохраняется, проявляется упругая реакция, при больших сдвигах — преобладает вязкое течение. Это явление характерно для высококонцентрированных и флокулированных систем и учитывается при расчете технологических процессов.
Реологическое поведение суспензий описывается уравнениями Пауэли–Хагена–Пуазейля для низкоконцентрированных систем и моделями Карру–Буллока или Хэрви–Бейли для сложных неньютоновских суспензий. Математическое моделирование позволяет прогнозировать вязкость при изменении концентрации, размера частиц, формы и условий обработки.
Реология суспензий является ключевым фактором в коллоидной химии, определяя стабильность, технологические характеристики и функциональные свойства систем с диспергированными твердыми фазами.