Реологические измерения

Реология изучает деформацию и течение материалов под воздействием внешних сил. В мягкой материи реологические свойства имеют особое значение, поскольку вещества, такие как коллоидные растворы, полимерные растворы, гели и эмульсии, демонстрируют поведение, которое нельзя полностью описать ни законами идеальной жидкости, ни законами упругости твёрдого тела.

Мягкая материя обладает комплексной вязкоупругой структурой, что выражается в сочетании упругих и вязких откликов на деформацию. Для количественного описания этих свойств используют такие величины, как:

  • Модуль упругости G
  • Вязкость η
  • Комплексный модуль G* = G′ + iG″
  • Напряжение σ и деформация γ

Вязкоупругость и линейная теория

Для малых деформаций поведение мягкой материи часто описывается линейной теорией вязкоупругости. Основные модели:

  1. Модель Максвелла – характеризует материал с упругой составляющей в серии с вязкой:

$$ \sigma + \lambda \frac{d\sigma}{dt} = \eta \frac{d\gamma}{dt}, $$

где $\lambda = \frac{\eta}{G}$ – время релаксации.

  1. Модель Кельвина–Вейсса – материал с упругой и вязкой составляющими, соединёнными параллельно:

$$ \sigma = G \gamma + \eta \frac{d\gamma}{dt}. $$

  1. Комплексный модуль при колебательных деформациях:

G*(ω) = G′(ω) + iG″(ω),

где G′(ω) – хранение энергии (упругая часть), G″(ω) – потери энергии (вязкая часть), ω – угловая частота.

Линейная реология применяется для анализа колебательных и малых деформаций, что позволяет оценить микроструктурные процессы в мягкой материи.

Методы реологических измерений

Реологические характеристики измеряются с помощью специализированных приборов – реометров, которые обеспечивают контролируемые режимы деформации и течения. Основные режимы:

  1. Классический сдвиговый поток

    • Направление исследования: вязкость η(γ̇) как функция градиента сдвига γ̇.
    • Используются пластинки, цилиндры и конусы.
    • Позволяет выявить ньютоновское и неньютоновское поведение: сдвиговое разжижение, загустение, тиксотропию.

  2. Колебательный режим (динамическая реология)

    • Применение малых гармонических деформаций γ(t) = γ0sin (ωt).
    • Измеряются модули G’ и G’’.
    • Позволяет выявить характер релаксационных процессов, оценить время релаксации τ.

  3. Реологическая спектроскопия

    • Варьирование частоты ω и измерение G′(ω) и G″(ω).
    • Определяет структурные свойства коллоидных систем, гелей и полимеров.

  4. Кривые текучести и предельная прочность

    • Измерение зависимости σ(γ̇).
    • Выявляет порог текучести, что особенно важно для паст и гелей.

Особенности реологии коллоидов и полимеров

В мягкой материи вязкоупругость напрямую связана с микроструктурой системы:

  • В коллоидах – размер, концентрация и взаимодействие частиц;
  • В полимерах – молекулярная масса, распределение цепей и перекрёстные связи;
  • В гелях – степень сшивки и плотность сетки.

Неньютоновские эффекты часто проявляются в виде:

  • Сдвигового разжижения – уменьшение вязкости с увеличением градиента сдвига.
  • Сдвигового загустения – увеличение вязкости при высоких скоростях сдвига.
  • Тиксотропии – временная зависимость вязкости при постоянном сдвиге.

Временные и частотные характеристики

Реологические свойства зависят от времени и частоты деформации. Важные понятия:

  • Время релаксации τ – характерное время, за которое материал теряет упругую память.
  • Модуль резонанса – точка, где G′ = G″, часто используется для определения перехода от жидкостного к упругому поведению.
  • Реологическая прямая и обратная связь – позволяют анализировать медленные структурные перестройки и аномальные течения.

Важность реологических измерений

Реологические измерения позволяют:

  • Оценивать структурную стабильность коллоидов и гелей;
  • Определять текучесть и пластичность паст, эмульсий и суспензий;
  • Связывать микроструктуру и макроскопическое поведение материалов;
  • Разрабатывать материалы с заданными механическими свойствами: пищевые продукты, косметику, полимерные композиции.

Каждый метод реологического анализа предоставляет уникальную информацию о механике мягкой материи, а сочетание методов позволяет полностью описать сложное вязкоупругое поведение систем с коллоидными и полимерными компонентами.

Оглавление