Реология суспензий и эмульсий представляет собой область физики мягкой материи, в которой исследуются закономерности деформации и течения систем, содержащих диспергированные частицы или капли в жидкости-носителе. Эти системы характеризуются сложной микроструктурой, которая определяет их макроскопическое реологическое поведение. В отличие от простых ньютоновских жидкостей, суспензии и эмульсии обладают выраженными неньютоновскими свойствами, зависящими от концентрации дисперсной фазы, взаимодействий между частицами и природы дисперсионной среды.
Ключевым фактором является наличие границы раздела фаз и специфических межчастичных взаимодействий (электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса, стерические эффекты), которые определяют устойчивость дисперсии, агрегацию и образование структур, влияющих на вязкость и упругость системы.
Разбавленные суспензии. При малой концентрации твердых частиц основное влияние на вязкость жидкости-носителя заключается в гидродинамическом сопротивлении, создаваемом отдельными частицами. Согласно формуле Эйнштейна для идеальной сферической частицы в низкоконцентрированной суспензии, относительное увеличение вязкости описывается выражением:
η = η0(1 + 2.5φ),
где η0 — вязкость дисперсионной среды, φ — объемная доля твердой фазы.
Концентрированные суспензии. При росте концентрации частицы начинают взаимодействовать, возникает коллективное поведение. Уравнения типа Криегера–Догерти учитывают максимально возможную упаковку частиц и позволяют предсказать рост вязкости вплоть до «замораживания» течения при приближении к предельной концентрации φm.
Эмульсии — это дисперсные системы, в которых одна жидкость распределена в другой в виде капель. Их реологические характеристики зависят от:
Капли в эмульсии могут вытягиваться, сжиматься и деформироваться, что приводит к нелинейным зависимостям вязкости от скорости сдвига. Сильная роль принадлежит поверхностному натяжению, которое препятствует деформации и разрыву капель, определяя пределы устойчивости эмульсии.
Большинство суспензий и эмульсий демонстрируют сдвиговое разжижение — уменьшение вязкости при росте скорости сдвига. Это связано с разрушением кластеров частиц или капель и перестройкой структуры.
Сдвиговое утолщение также встречается в ряде концентрированных суспензий: при высоких градиентах скорости сдвига частицы образуют временные квазикристаллические структуры, препятствующие течению.
Некоторые системы проявляют тиксотропию — постепенное снижение вязкости при постоянной нагрузке и восстановление структуры при покое. Это свойство характерно для многих промышленных эмульсий и суспензий, например краски, косметических и пищевых продуктов.
Дисперсные системы обладают не только вязкими, но и упругими характеристиками. Это проявляется в наличии памяти о предшествующей деформации и способности накапливать часть упругой энергии. Вязкоупругость суспензий и эмульсий описывается с помощью моделей типа Максвелла и Кельвина–Фойгта, адаптированных с учетом микроструктуры.
Например, при малых деформациях капли в эмульсии ведут себя как упругие включения, сопротивляясь сжатию, а при больших нагрузках они разрушаются, что ведет к нелинейному реологическому отклику.
Реологическое поведение определяется балансом:
В разбавленных системах преобладают гидродинамические эффекты, а в концентрированных — силы межчастичного взаимодействия, способные приводить к образованию устойчивых структур (геля, агрегатов, сетчатых каркасов).
Полидисперсность частиц или капель играет фундаментальную роль в реологии. Узкое распределение по размерам облегчает прогнозирование свойств, но в реальных системах оно почти всегда широкое. Более мелкие частицы заполняют промежутки между крупными, что может существенно повысить предельную концентрацию упаковки и изменить реологический отклик.
Изучение реологии суспензий и эмульсий проводится с использованием:
Кроме того, современные методы рассеяния света и нейтронов позволяют сопоставлять изменения микроструктуры с реологическими характеристиками.
Реология суспензий и эмульсий имеет фундаментальное и прикладное значение. От понимания этих процессов зависит оптимизация множества технологий:
Управление вязкостью, тиксотропией и стабильностью систем позволяет регулировать их эксплуатационные свойства.