Тиксотропность — свойство материалов¶

Тиксотропность — реологическое свойство некоторых дисперсных систем и полимеров, заключающееся в уменьшении вязкости (структурной прочности) материала при механическом воздействии (перемешивании, деформации) и последующем восстановлении структуры и вязкости после прекращения воздействия. Тиксотропные системы характеризуются зависимостью не только от интенсивности, но и от продолжительности деформации: чем дольше действует сдвигающее напряжение, тем ниже вязкость. Процесс восстановления структуры после снятия нагрузки обычно занимает существенно больше времени, чем её разрушение, что придаёт явлению выраженный гистерезисный характер.

¶Механизм явления

При покое частицы дисперсной фазы (глина, сажа, цемент, полимерные цепи) образуют пространственную структуру за счёт межчастичных взаимодействий — ван-дер-ваальсовых сил, водородных связей, электростатического притяжения. Механическое воздействие разрушает эти связи, структура «распадается» на отдельные фрагменты, и система течёт легче. После прекращения деформации частицы постепенно восстанавливают агрегаты, и вязкость нарастает обратно — процесс диффузионный и потому медленный.

Ключевое отличие от обычного псевдопластического поведения (структурно-вязкого течения) состоит в том, что псевдопластическая вязкость зависит только от мгновенной интенсивности сдвига, а тиксотропная — от интенсивности и времени одновременно. На реологических диаграммах это проявляется в виде петли гистерезиса: кривые «нагружение — разгрузка» не совпадают, а область между ними пропорциональна тиксотропной энергии.

¶Классификация и характеристика

По характеру восстановления различают:

• Полностью обратимые тиксотропные системы — структура восстанавливается полностью (растворы бентонитовой глины, некоторые лакокрасочные материалы).
• Частично обратимые — восстановление неполное, часть структуры разрушается необратимо (растворы буровых промывок при длительном сдвиге).
• Необратимые — после разрушения структура не восстанавливается (некоторые растворы с высоким содержанием твёрдой фазы).

Основные количественные характеристики:

¶Материалы и системы

Тиксотропные свойства проявляют многочисленные материалы:

• Бентонитовые и глинистые суспензии — классический пример, изученный ещё в первой половине XX века.
• Буровые растворы — тиксотропия обеспечивает удержание шлама в скважине при остановке промывки и лёгкое течение при работе насосов.
• Цементные суспензии — тиксотропия влияет на удобоукладываемость и структурирование бетонной смеси.
• Лакокрасочные материалы — предотвращает подтекание краски на вертикальных поверхностях: при кистевом или валиковом воздействии краска течёт, после нанесения быстро структурируется.
• Пищевые продукты — майонез, кетчуп, картофельное пюре, мороженое.
• Фармацевтические пасты и гели.
• Горные породы — некоторые глинистые сланцы проявляют тиксотропию при бурении.
• Природные системы — грунты, иловые отложения, лавовые потоки (в определённых режимах).

¶Отличие от смежных явлений

Реопексия (антикситропия) — обратное явление: вязкость возрастает при длительном механическом воздействии и уменьшается в покое. Встречается значительно реже, пример — некоторые растворы пентаэритрита и специальные гели.

Структурно-вязкое (псевдопластическое) течение — вязкость зависит только от интенсивности сдвига, без эффекта времени и гистерезиса.

Тиксотропия и кратковременная прочность — не следует путать с вязкоупругостью, где восстановление также имеет временну́ю задержку, но обусловлено упругой деформацией молекул, а не восстановлением агрегатной структуры.

¶Применение

Тиксотропия используется целенаправленно в ряде технологий:

• В бурении нефтяных и газовых скважин тиксотропные буровые растворы позволяют останавливать прокачку без оседания бурового шлама на забое.
• В производстве лакокрасочных материалов тиксотропные добавки (органические глины, бентониты, силикаты) обеспечивают антиподтекающие свойства.
• В строительстве тиксотропные модификаторы бетонных смесей повышают удобоукладываемость при сохранении формы после укладки.
• В пищевой промышленности тиксотропия определяет органолептические свойства соусов, паст и десертов.
• В медицине тиксотропные гели применяются как носители лекарственных веществ и в 3D-биопечати.

¶История изучения

Термин «тиксотропия» введён немецким химиком Гансом Фридрихом Генрихом Питером в 1919 году (от греч. θίξις — «прикосновение» и τρόπος — «обращение, поворот»). Систематическое изучение тиксотропии буровых растворов проведено в 1930—1950-е годы в связи с развитием нефтедобычи. В СССР значительный вклад в реологию дисперсных систем внесли В. В. Лурье, А. И. Леонов, а позднее — школа И. Г. Шабановой-Кононенко и другие исследователи. Современные методы исследования включают тиксотропные реометры, осцилляционные реометры с программированием амплитуды и частоты, а также компьютерное моделирование кинетики структурирования.

¶Источники

• Шабанова-Кононенко И. Г. Курс коллоидной химии.
• Лурье В. В. Справочник по обогащению полезных ископаемых.
• Рабинович Е. М., Молоканов Н. А. Реология в бурении.
• Береснев С. А. Реология дисперсных систем.
• ГОСТ 32269-2013. Реология дисперсных систем. Термины и определения.