Тиксотропия и реопексия

Основные понятия

В области реологии мягкой материи особое место занимают явления тиксотропии и реопексии, связанные с обратимыми изменениями вязкости во времени при приложении механического воздействия. В отличие от классического ньютоновского течения, где вязкость постоянна и не зависит от времени, данные процессы характеризуются динамическим изменением внутренней структуры материала, что приводит к уменьшению или увеличению его сопротивления сдвигу.

Тиксотропия — это свойство материала уменьшать вязкость при длительном или повторяющемся механическом воздействии (сдвиге) и восстанавливать её после прекращения нагрузки.

Реопексия — противоположное явление, при котором вязкость увеличивается во времени под действием сдвига, а после прекращения воздействия материал возвращается в исходное более текучее состояние.

Микроструктурные механизмы

Физическая природа тиксотропии и реопексии связана с перестройкой микро- и мезоструктуры мягкой материи:

  • В тиксотропных материалах (гели, суспензии, краски) структурные агрегаты частиц разрушаются при механическом воздействии, что ведёт к разжижению. После прекращения нагрузки межчастичные взаимодействия способствуют восстановлению сетки агломератов, и вязкость возвращается к исходному уровню.
  • В реопексических системах (например, некоторые дисперсные суспензии из тонкодисперсных частиц металлов или оксидов) происходит обратный процесс: механическое воздействие способствует уплотнению структуры, увеличению числа межчастичных контактов и росту вязкости.

Таким образом, оба явления отражают конкуренцию между процессами разрушения и восстановления структурной сетки частиц или макромолекул.

Кривые течения и петли гистерезиса

Характеристикой тиксотропных и реопексических материалов являются кривые зависимости напряжения сдвига от скорости деформации при разных временах воздействия.

  • Для тиксотропных систем характерно наличие петли гистерезиса на диаграмме «напряжение — скорость сдвига». При увеличении скорости деформации вязкость уменьшается быстрее, чем она восстанавливается при последующем снижении нагрузки, в результате чего в координатах (τ–γ̇) появляется замкнутая петля.
  • Для реопексических систем наблюдается аналогичная петля, но с противоположным направлением: при многократном цикле нагружения материал становится более вязким, и область гистерезиса отражает процесс нарастания внутреннего сопротивления течению.

Математическое описание

Для описания тиксотропных и реопексических процессов вводятся модели, учитывающие эволюцию структурного параметра. Такой параметр отражает степень упорядоченности или агрегированности системы.

Одной из распространённых моделей является кинетическая модель структурного параметра:

$$ \frac{d\lambda}{dt} = -k_d \, f(\dot{\gamma}, \lambda) + k_r \, g(\lambda) $$

где

  • λ — структурный параметр (0 ≤ λ ≤ 1),
  • kd — скорость разрушения структуры при сдвиге,
  • kr — скорость восстановления структуры,
  • f(γ̇, λ) и g(λ) — функции, описывающие зависимость от скорости деформации и состояния системы.

Для тиксотропных систем характерно преобладание разрушения структуры (kd) над её восстановлением при действии нагрузки, а для реопексических — наоборот.

Экспериментальные проявления

  1. Тиксотропные материалы:

    • коллоидные гели и пасты,
    • краски и лаки,
    • косметические кремы,
    • томатная паста, йогурт, кетчуп,
    • буровые растворы в нефтегазовой промышленности.

    Их поведение удобно для практических применений: материал при перемешивании или прокачке легко течёт, но в состоянии покоя быстро восстанавливает вязкость, предотвращая осаждение частиц.

  2. Реопексические материалы:

    • редкие дисперсные системы на основе порошков металлов,
    • некоторые цементные суспензии,
    • высококонцентрированные суспензии из частиц с сильными межфазными взаимодействиями.

    Такие системы используются значительно реже из-за сложности их предсказуемого поведения.

Практическое значение

Тиксотропия и реопексия находят широкое применение и исследование в прикладной науке и инженерии:

  • В промышленности покрытий тиксотропные краски предотвращают стекание с вертикальных поверхностей.
  • В медицине и фармацевтике гели и мази должны быть тиксотропными: легко наноситься, но сохранять вязкость после нанесения.
  • В пищевой промышленности тиксотропные продукты создают комфортные органолептические свойства.
  • В строительстве тиксотропные растворы позволяют удобную транспортировку и равномерное распределение цементных масс.
  • В реологии цементных суспензий иногда учитывают реопексию, чтобы обеспечить фиксацию и снижение подвижности после заливки.

Влияние температуры и концентрации

Оба явления существенно зависят от условий внешней среды:

  • при увеличении температуры процессы разрушения структур ускоряются, что усиливает тиксотропный эффект;
  • высокая концентрация частиц или макромолекул способствует как тиксотропии (за счёт образования агрегатов), так и реопексии (за счёт уплотнения структуры под нагрузкой).

Таким образом, контроль параметров среды позволяет целенаправленно регулировать реологические свойства мягкой материи.

Оглавление