Неньютоновское поведение
структурированных систем

Неныотоновское поведение структурированных систем проявляется в изменении вязкости при изменении скорости сдвигового течения. Структурная реологическая модель объясняет явление неньютоновского течения в суспензиях, эмульсиях, мицеллярных растворах, растворах и расплавах полимеров, а также в жидких кристаллах.

Полученные реологические уравнения описывают вязкость и силы упругости при стационарном течении, вязкие и упругие характеристики при сдвиговых колебаниях. Структурный подход является альтернативой классической теории вязкоупругости и связывает изменение вязкости с изменением структуры вещества. Коэффициенты полученных уравнений прямо связаны со структурой и физико-химическими свойствами структурированных систем. Рассмотрены практически важные системы: полимеры и композитные материалы, нефть и буровые растворы, тиксотропные красители и кровь.

Книга может быть полезной для ученых и специалистов в области физико-химии дисперсных систем, коллоидной химии и физикохимии полимеров, медицины.

Авторы благодарны рецензентам за сделанные ценные замечания. С учетом высказанных замечаний материал, представленный в книге, выглядит более стройно и выделяет собственный вклад авторов в развитие теории неньютоновского течения дисперсных систем с большим акцентом.

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

Многочисленные вещества: породы, составляющие земную кору, магма, вулканическая лава, нефть и глинистые растворы, используемые при ее добыче; раз¬личные пасты от кетчупа до цементных растворов, асфальтобетоны, масляные краски (суспензии частиц в масле); растворы и расплавы полимеров для формирования различными методами нитей, плёнок, пластин, труб; кремы, мази, гели, зубные пасты; многие виды пищевой продукции от теста, хлеба до конфет и колбасы, то есть практически все тела, состоящие из белков (кровь, фибриллы, коллаген, мышечные ткани, кожа) — вот далеко не полный перечень систем, в которых проявляются упругие, пластические и высокоэластические свойства. Все эти системы текут не по законам Ньютона, их вязкость зависит от скорости течения. Эта книга — о том, как происходит течение сложных систем и как вязкость зависит от структуры.

Течение полимерных растворов и жидкокристаллических систем исследуется в связи с широким применением этих систем при изготовлении композитных материалов и необходимостью совершенствовать жидкокристаллические системы отображения информации.

За сто с лишним лет существования коллоидной химии, реологии и физико-химии полимеров накопился огромный экспериментальный материал, опубликованы тысячи статей и сотни монографий. Что может добавить новая книга?

Авторы на протяжении двух десятилетий занимались изучением неньютоновских систем как экспериментально, так и теоретически. Все это время занимала мысль: зачем такое количество уравнений, описывающих течение сложных систем в различных диапазонах скоростей течения, не подходящих для любых систем, то есть не универсальных?

В отличие от большинства научных монографий представленная работа не претендует на максимальный охват материала и демонстрацию достижений в области реологии. Ее цель — показать возможности структурного подхода при описании неньютоновского течения. Установление связи между структурой вещества и вязкостью позволяет с единой точки зрения описать дисперсные и полимерные системы. Получено простое реологическое уравнение, которое пригодно для описания сдвигового разжижения, когда вязкость уменьшается при увеличении скорости сдвига. Три коэффициента уравнения прямо связаны со структурными и физико-химическими характеристиками вещества. Таким образом, предполагается единый механизм неньютоновского течения разнообразных дисперсных и полимерных систем.

В первой главе книги изложены основные экспериментальные факты, понятия и концепции, касающиеся течения неньютоновских систем, в основном дисперсных систем с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Вторая глава книги содержит новую теорию течения структурированных систем, как в равновесных условиях течения, так и при некотором отклонении системы от равновесия. Теория базируется на оригинальной реологической модели Кэссона (1959 г.) и реологической модели Кросса (1965 г.), в которые нами внесены существенные изменения. В результате нами получено универсальное обобщенное уравнение течения, которое описывает как ньютоновское. так и неньютоновское поведение дисперсных систем, включая пластичное и псевдопластичное течение. Переход между видами течения зависит от нуле¬вого или ненулевого значения одного из трех коэффициентов реологического уравнения.

Однако среди многих ученых существует мнение, что общая модель неньютоновского течения не может существовать в принципе, поскольку различная физико-химическая природа дисперсных систем, растворов полимеров или жидких кристаллов «обязательно приведет к разным механизмам течения».

Поэтому остальные главы монографии посвящены доказательной проверке структурной реологической модели на примере различных дисперсных и полимерных систем с использованием не только своих экспериментальных данных, но и данных, любезно предоставленных нашими коллегами.

Мы благодарны коллегам, экспериментальные результаты которых мы использовали, без таких независимых экспериментов и в таком количестве было бы трудно убедить научное сообщество в адекватности и правильности нашей модели.

Авторы надеются, что новый взгляд на реологические свойства суспензий, растворов полимеров, эмульсий и жидких кристаллов будет интересен специалистам в области реологии, коллоидной химии и физико-химической механики, химии и физики жидких кристаллов. Имея в виду интересы экспериментаторов, авторы старались максимально просто и ясно сформулировать положения теории, которая, в принципе, предназначена описывать любые структурированные системы, независимо от природы дисперсной фазы и дисперсионной среды. Монография также может быть полезна студентам и аспирантам, занимающимся проблемой неньютоновского течения.

Для инженеров и технологов обычно важны те характеристики, которые необходимы для контроля и управления свойствами дисперсий. Нужно сказать, что коэффициенты нового реологического уравнения позволяют разделить эффекты, связанные с движением агрегатов, и эффекты, связанные с движением отдельных частиц. Один из коэффициентов уравнения описывает возможность образования сплошной сетки-геля. Анализ реологических коэффициентов открывает новые возможности для управления свойствами различных композитных материалов, высокопарафинистой нефти, тиксотропных красящих материалов и других практически важных систем.

В книге используется международная система единиц измерения (СИ), за исключением особо оговоренных случаев. Публикации авторов по тематике монографии приводятся отдельно в конце книги.