Тиксотропия

Определение и сущность явления Тиксотропия — это свойство некоторых коллоидных систем и густых жидкостей изменять свою вязкость под воздействием механического воздействия (перемешивания, встряхивания, сдвига) и восстанавливать исходную вязкость после прекращения воздействия. Явление характеризуется временной деградацией структуры системы при механическом воздействии и постепенным восстановлением её после прекращения воздействия.

Механизм тиксотропии Тиксотропные системы обладают структурой, образованной ассоциативными элементами: агрегатами, флоккулами или сетями из коллоидных частиц. Под действием сдвига эти структуры разрушаются, что приводит к снижению вязкости и повышению текучести системы. После прекращения воздействия частицы вновь вступают в ассоциативные взаимодействия, восстанавливая первоначальную структуру.

Ключевым фактором является динамическое равновесие между силами взаимодействия частиц (электростатическими, гидрофобными, ван-дер-ваальсовыми) и механическими усилиями. В тиксотропных системах разрушение и восстановление структур происходит не мгновенно, что обусловливает временной характер изменения вязкости.

Характерные кривые тиксотропии Измерение тиксотропного поведения проводят с помощью вискозиметрии и реометрии. Основные характеристики:

Гистерезисная петля сдвига — при построении кривой зависимости сдвигового напряжения от скорости деформации наблюдается разрыв между кривыми нарастания и убывания скорости сдвига. Площадь петли отражает степень тиксотропии.
Время восстановления — время, за которое система возвращается к исходной вязкости после прекращения сдвига.

Примеры тиксотропных систем

Гели на основе коллоидных частиц (гидроксиды металлов, оксиды кремния)
Красители, краски и лаки
Биологические суспензии (кровь, желатиновые растворы)
Пасты и суспензии в пищевой промышленности

Факторы, влияющие на тиксотропию

Концентрация коллоидных частиц — увеличение концентрации повышает плотность структурных сетей, увеличивая исходную вязкость и выраженность тиксотропии.
Температура — повышение температуры ослабляет межчастичные взаимодействия, ускоряя разрушение структур под сдвигом.
Ионная сила и состав среды — наличие электролитов может изменять заряд частиц и стабильность агрегатов, влияя на тиксотропное поведение.
Присутствие стабилизаторов или загустителей — полиэлектролиты и полисахариды могут усиливать структурное взаимодействие частиц, увеличивая время восстановления вязкости.

Практическое значение Тиксотропные системы широко применяются в промышленности и биотехнологии:

В лакокрасочной промышленности тиксотропные краски не стекают с вертикальных поверхностей, но легко наносятся кистью или распылителем.
В фармацевтике тиксотропные гели обеспечивают удобство введения лекарственных форм и медленное высвобождение активных веществ.
В пищевой промышленности тиксотропные пасты и соусы сохраняют форму в упаковке, но легко текут при перемешивании.

Методы исследования тиксотропии

Реометрия — измерение вязкости при различных скоростях сдвига и построение гистерезисных петель.
Вискозиметрия — определение изменения вязкости при постоянной скорости сдвига.
Микроскопия и светорассеяние — наблюдение разрушения и восстановления структуры на микро- и наноуровне.

Особенности математического описания Тиксотропные жидкости описывают с использованием моделей с зависимостью вязкости от времени и скорости сдвига:

η = η₀ − k ⋅ tⁿ

где η — вязкость при времени t, η₀ — начальная вязкость, k и n — эмпирические параметры, отражающие скорость разрушения структур.

Закономерности и наблюдения

Чем сложнее и плотнее структурная сеть, тем более выражена тиксотропия.
В системах с низкой концентрацией частиц тиксотропия может отсутствовать или проявляться слабо.
Восстановление структуры после сдвига часто требует времени, что отличает тиксотропные жидкости от ньютоновских и псевдопластичных систем без памяти структуры.

Тиксотропия является ключевым проявлением динамической коллоидной химии, демонстрируя важность межчастичных взаимодействий и структуры частиц в поведении сложных жидких систем.