Вязкость суспензий и эмульсий

Вязкость коллоидных систем является важнейшей физико-химической характеристикой, определяющей их течение, стабильность и технологические свойства. Для суспензий и эмульсий вязкость не является константой, а зависит от концентрации дисперсной фазы, размера частиц, природы среды и внешних факторов, таких как температура и сдвиговая скорость.

Основные факторы, влияющие на вязкость

1. Концентрация дисперсной фазы. С увеличением объёма частиц в суспензии или капель в эмульсии вязкость растет. При малых концентрациях система может следовать закону Стокса–Эйнштейна:

η = η₀(1 + 2, 5ϕ)

где η — вязкость суспензии, η₀ — вязкость дисперсионной среды, ϕ — объемная доля частиц. При больших концентрациях взаимодействие частиц усложняет течение, и зависимость становится нелинейной, требующей эмпирических коррекций.

2. Размер и форма частиц. Мелкодисперсные системы имеют более высокую вязкость из-за большей удельной поверхности и увеличенного гидродинамического взаимодействия. Анизотропные частицы (пластинчатые, игольчатые) способствуют росту вязкости сильнее, чем сферические при равной концентрации.

3. Взаимодействие частиц. Электростатические и стерические отталкивания между частицами создают структурированные агрегаты, увеличивая вязкость. Адсорбированные поверхностно-активные вещества могут стабилизировать дисперсию, но одновременно влиять на реологическое поведение.

4. Температура. Повышение температуры уменьшает вязкость дисперсионной среды и, как следствие, вязкость всей системы. Для полимерных эмульсий температура может приводить к изменению структуры сетки, что кардинально меняет реологические свойства.

Виды вязкости

Ньютоновская и неньютоновская. Суспензии и эмульсии могут демонстрировать различные типы течения:

• Ньютоновское поведение — вязкость не зависит от градиента скорости сдвига. Характерно для сильно разбавленных систем с малой концентрацией частиц.

• Неньютоновские жидкости проявляют зависимость вязкости от сдвиговой скорости. Выделяют:

  • Тиксотропные жидкости — вязкость уменьшается при длительном сдвиге, что связано с разрушением структурных сетей.
  • Реопектические жидкости — вязкость увеличивается при сдвиге из-за ориентирования и уплотнения частиц.
  • Псевдопластические жидкости — вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига, характерно для полимерных эмульсий.

Методы измерения вязкости

1. Вискозиметрические методы. Простейший способ — использование капиллярных или ротационных вискозиметров. Позволяют определять как динамическую, так и кинематическую вязкость.

2. Ротационные реометры. Обеспечивают возможность контроля неньютоновских свойств. Измеряют зависимость сдвигового напряжения от градиента скорости, строят кривые реологических характеристик.

3. Пульсационные и акустические методы. Используются для изучения быстропротекающих процессов изменения структуры при динамическом сдвиге, а также для высококонцентрированных суспензий, где традиционные методы малопригодны.

Влияние стабилизаторов и добавок

Добавление поверхностно-активных веществ, полимеров или электролитов изменяет реологические свойства:

• Стабилизаторы увеличивают вязкость, создавая адсорбционную оболочку вокруг частиц, препятствующую их агрегации.
• Электролиты могут уменьшать электрическое отталкивание и снижать вязкость при низких концентрациях, но при избытке вызывать коагуляцию и резкое увеличение вязкости.
• Полимеры и гелеобразователи формируют сетчатую структуру, придавая системе тиксотропные свойства и высокую начальную вязкость.

Практическое значение

Вязкость суспензий и эмульсий определяет транспортировку, дозирование и смешивание коллоидных систем в химической промышленности, фармацевтике, пищевой индустрии. Контроль реологических свойств позволяет предотвращать седиментацию, улучшать стабильность и управлять текучестью при технологических процессах.