Тиксотропія

Якщо до золю гидроксиду заліза додати який-небудь коагулятор (NаСІ) в кількості, недостатній для повної коагуляції, в'язкість золю почне помітно збільшуватися. З часом золь може перетворитися на суцільний холодець (гель). При сильному струшуваннні гель знов приймає колишню легко-рухомість, в'язкість його зменшується до первинного початкового значення. Якщо золь на деякий час залишити в спокої, він знов перетворюється на холодець. Це явище ізотермічного оборотного переходу золь гель одержало назву тиксотропії (від греч. thixis – чіпати і trophos – мінятися).

Тиксотропія – явище досить поширене. Воно спостерігається в золях V₂O₅, WO₃, Fe₂O₃, в різних суспензіях бентоніту, в розчинах вірусу тютюнової мозаїки, міозину. Причому, тиксотропні гелі найлегше утворюються у золей, що мають асиметричну будову частинок (наприклад, паличкоподібної форми). Тиксотропні структури виникають лише при певних концентраціях колоїдних частинок і електролітів. Для оборотнього (тиксотропного) застуднення потрібна певна величина дзета-потенціалу, яка лежить вище за критичну. В цьому випадку заряд колоїдних частинок хоча і знижений, але не в такому ступені, щоб почався процес коагуляції. У цих умовах вже стають помітними сили взаємодії між окремими частинками дисперсної фази, вони утворюють своєрідну сітку, каркас. При сильному струшуванні зв'язок між частинками дисперсної фази порушується – тиксотропний гель переходить в золь. В стані спокою зв'язок в результаті зіткнення частинок при броунівському русі відновлюються, золь знов переходить в тиксотропний гель і т.д.

Розглянемо, як відбувається взаємодія колоїдних частинок залежно від відстані між ними. Енергії взаємодії W двох колоїдних частинок залежно від відстані, між їх поверхнями змінюється по кривій, зображеній на рис. 201, де позитивні значення W відповідають відштовхуванню, а негативні – притягуванню частинок. Ці криві носять назву потенційних кривих.

З рис. 5 видно, що на певній відстані r₀ існує своєрідний бар'єр відштовхування S, який перешкоджає зближенню частинок. Цей бар'єр усунемо

Рис. 5. Энергія взаємодії

при високій концентрації електроліту-коагуляції. Унаслідок переважання сил тяжіння колоїдні частинки можуть зближуватися при коагуляції до відстані r₂. Проте теоретичні розрахунки і експериментальні дані свідчать про те, що при великих відстанях між колоїдними частинками r₁ (порядку декількох товщини подвійного електричного шару) на потенційній кривій добре спостерігається другий неглибокий мінімум М, який незначний для звичних гідрофобних колоїдів і більш глибокий для золей, що мають крупні асиметричні частинки. Для таких золей енергія взаємодії в точці М може бути у декілька разів більше енергії теплового руху, що створює можливість досить стійкого взаємного тяжіння даних частинок на великих відстанях один від одного.

Таким чином, наявність крупних асиметричних частинок в золі сприяє утворенню певної структури, яка додає золю гелеподібний стан. Як видно з рис. 201, глибина максимуму М буває менше коагуляційного мінімуму F, і тому зв'язок між колоїдними частинками на відстані набагато слабкіше, ніж при коагуляції. Подібні гелеутворення структури можуть бути легко зруйновані при простому струшуванні, причому отриманий золь при стоянні знов перетворюється на гель. Ці переходи можуть бути повторені десятки разів.

Явище тиксотропії широко поширене в природі. Так, властивості деяких грунтів розм'якшуватися по впливом здійснюваної на них механічної дії пояснюється їх тиксотропністю. Такі грунти називаються пливунами. Пли-вуни, розріджуючись під дією гідростатичного і гідродинамічного тиску грунтової води, утрудняють різні будівельні і гірські роботи, заповнюючи вироблений простір.

Застосування глинистих розчинів при виробництві бурових робіт також засноване на явищі тиксотропії. Розмішування суспензій при накачуванні в свердловини робить їх текучими. Потрапляючи на стінки свердловини, суспензія твердне, що попереджає обсипання стінок свердловини і їх обвали. Крім зміцнення стінок свердловини, глинистий розчин виконує і інші корисні функції. Зокрема, при тимчасовій зупинці буріння глинистий розчин утримує в зваженому стані частинки вибурених порід, що попереджає так зване захоплення бура, яке спостерігалося б при осіданні частинок.

Тиксотропні властивості приписують таким складним фізіологічним структурам, як протоплазма і мускульна тканина. Подразнюючи голкою тіло малих лімфоцитів, Петтерфі спостерігав швидке розрідження їх протоплазми, яка знов швидко ущільнювалася. Аналогічне явище можна спостерігати при роздратуванні голкою тіла дрібних амеб. Явищем тиксотропії легко пояснюється спостереження К ю н е, який бачив, як уздовж м’язистого поперечнополосатого волокна жаби просувалася нематода з такому ж легкістю, як в звичній рідині. Річ у тому, що нематода при своєму пересуванні, механічно впливаючи на тиксотропную субстанцію мускуль-ного волокна, викликала перетворення його в золь, який після проходження через його нематоди знов знаходив структуру.

Період застуднення при тиксотропії – величина постійна для кожної даної системи і часто використовується як показник її стійкості. Причому кількісною оцінкою тиксотропії може слугувати міцність гелю, що утворився, швидкість твердіння. Для визначення швидкості твердіння різні зразки порівнюються по Фрейндліху при одній і тій же міцності гелю. Для цієї мети визначають час, необхідний для перетворення в трубках стандартних розмірів золя в гель такої консистенції, щоб він не витікав при перевертанні трубки вверх дном.

Дослідження показали, що явище тиксотропії має місце не тільки під впливом механічних чинників, але і при діях хімічного і температурного порядку. Тіксотропне застуднівання залежить від добавок електролітів, рН і температури. Аналогічно явищу коагуляції воно швидшає із зростанням концентрації електроліту. Як приклад, можна вказати на гідрозоль заліза [Fе(OН)₃], час твердіння якого збільшується приблизно в 100 разів при збільшенні рН на одиницю. Час застуднівання зменшується з підвищенням температури. Річ у тому, що при підвищенні температури відбувається збільшення броунівського руху частинок, який прискорює процес утворення структури і скорочує час її відновлення.

39