Тиксотропия
Тиксотропи́я (тиксотро́пность) (от греч. θίξις — прикосновение и τροπή — изменение) — способность уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя.
Некоторые гели или жидкости, которые являются густыми или вязкими в статических условиях, со временем будут течь (становиться более жидкими, менее вязкими) при встряхивании, взбалтывании, сдвиговом напряжении или другом напряжении (вязкость, зависящая от времени). Затем им требуется фиксированное время, чтобы вернуться в более вязкое состояние[1].
Вязкость некоторых жидкостей при постоянных окружающих условиях и скорости сдвига изменяется со временем. Если вязкость жидкости со временем уменьшается, то жидкость называют тиксотропной, если увеличивается — реопексной.
Оба поведения могут встречаться как вместе с вышеописанными типами течения жидкостей, так и только при определённых скоростях сдвига. Временной интервал может сильно варьироваться для разных веществ: некоторые материалы достигают постоянного значения за считанные секунды, другие — за несколько дней. Реопексные материалы встречаются довольно редко, в отличие от тиксотропных, к которым относятся смазки, вязкие печатные краски, буровые растворы[2].
Примеры тиксотропной жидкости
- мёд манука;
- цитоплазма клеток, сперма тиксотропны[3];
- Многие виды красок и чернил, например, пластизоли, используемые в трафаретной печати по текстилю, обладают тиксотропными свойствами[4]. Во многих случаях желательно, чтобы жидкость текла достаточно, чтобы сформировать однородный слой, а затем сопротивляться дальнейшему течению, тем самым предотвращая провисание на вертикальной поверхности. Некоторые другие чернила, такие как те, которые используются в технологической печати типа CMYK, предназначены для ещё более быстрого восстановления вязкости после их нанесения, чтобы защитить структуру точек для точной цветопередачи;
- тиксотропные чернила (наряду с газовым картриджем под давлением и специальной конструкцией срезающего шарика) являются ключевой особенностью космической ручки Fisher, используемой для письма во время космических полётов в невесомости в рамках космических программ США и России;
- паяльные пасты, используемые в процессах печати при производстве электроники, являются тиксотропными;
- фиксирующая жидкость представляет собой тиксотропный клей, отверждающийся анаэробно;
- тиксотропия была предложена в качестве научного объяснения чудес разжижения крови, таких как чудо Святого Януария в Неаполе[5];
- процессы полутвёрдого литья, такие как тиксоформование, используют тиксотропные свойства некоторых сплавов (в основном лёгких металлов, таких как магний). В определённых температурных диапазонах и при соответствующей подготовке сплав можно перевести в полутвёрдое состояние, которое можно лить под давлением с меньшей усадкой и лучшими общими свойствами, чем при обычном литьё под давлением;
- коллоидальный кремнезём обычно используется в качестве реологического агента для придания жидкостям с низкой вязкостью тиксотропных свойств. Примеры варьируются от пищевых продуктов до эпоксидной смолы для структурного склеивания, например угловых соединений.
Тиксотропия и псевдопластичность
Некоторые авторы считают разжижение при сдвиге (псевдопластичность) частным случаем тиксотропного поведения, поскольку для восстановления микроструктуры жидкости до исходного состояния всегда требуется ненулевое время. Однако когда восстановление вязкости после возмущения происходит очень быстро, наблюдаемое поведение представляет собой классическое истончение при сдвиге или псевдопластичность, потому что, как только сдвиг устраняется, вязкость возвращается к норме. Когда для восстановления вязкости требуется определённое время, наблюдается тиксотропное поведение[6].
В качестве примера можно привести кетчуп. Кетчуп является ярким примером материала, разжижающегося при сдвиге, который является вязким в состоянии покоя, но течёт со скоростью при взбалтывании при сжатии, встряхивании или ударе по бутылке. Как только кетчуп перестали трясти он почти мгновенно становиться вязким. Если бы для того, чтобы кетчуп стал вязким, ему бы требовалось больше времени, он считался бы тиксотропным. Поэтому при описании вязкости жидкостей полезно отличать разжижающееся при сдвиге (псевдопластическое) поведение от тиксотропного поведения, когда вязкость при всех скоростях сдвига снижается в течение некоторого времени после перемешивания: оба эти эффекта часто можно наблюдать по отдельности в той же жидкости[7].
Тиксотропия в геотехнике
.jpg)
Тиксотропия связана с илом и глинами. Чем больше ударить по «болоту» тем больше сопротивление. Некоторые глины являются тиксотропными, и их поведение имеет большое значение в строительстве и геотехнике. Свидетельством этого явления являются оползни, например, распространённые на скалах вокруг Лайм-Риджиса и катастрофа на отвале Аберфан в Уэльсе. Точно так же лахар — грунт, сжиженный вулканическим извержением, который быстро затвердевает после того, как остановится. Буровые растворы, используемые в геотехнических целях, могут быть тиксотропными.
Некоторые глиняные отложения, обнаруженные в процессе исследования пещер, проявляют тиксотропизм: первоначально кажущаяся твёрдой грязевая отмель становится жидкой и выделяет влагу при копании или ином нарушении. Эти глины в прошлом отлагались низкоскоростными потоками, которые имеют тенденцию к отложению мелкозернистых отложений.
Тиксотропная жидкость лучше всего визуализируется лопастью весла, погружённой в ил. Давление на весло часто приводит к образованию высоковязкого (более твёрдого) тиксотропного раствора на стороне высокого давления лопасти и маловязкого (очень жидкого) тиксотропного раствора на стороне низкого давления весла. Поток со стороны высокого давления на сторону низкого давления лопасти весла неньютоновский. (то есть скорость жидкости не пропорциональна квадратному корню из перепада давления на лопасти весла).
Тиксотропный глинистый раствор применяется при строительстве опускных сооружений открытого типа (в России это т. н. тиксотропная рубашка). Тиксотропный раствор заливается в зазор между породной стенкой шахтного ствола (котлована) и внешней поверхностью сооружения[8].
Для илистых грунтов и глин следует различать чувствительность (англ. Sensitivity), тиксотропию (англ. Thixotropy) и активность (англ. Activity)[9]. Глины с флокулированными частицами теряют прочность при разрушении или переформовке. Потеря прочности частично связана с необратимым разрушением структуры и переориентацией молекул в адсорбированном слое. Потеря прочности при разрушении конструкции не может восстановиться со временем. Однако переформованный грунт, оставленный нетронутым при том же содержании воды, восстанавливает часть прочности за счёт постепенной переориентации адсорбированных молекул воды. Это явление потери силы — нарастания силы без изменения объёма или содержания воды также называется «тиксотропией». Можно также сказать, что это «процесс размягчения, вызванный переформовкой, за которым следует зависящее от времени возвращение в исходное твёрдое состояние». Чем выше чувствительность, больше тиксотропное твердение. Степень увеличения прочности зависит от типа глинистого минерала. Минерал, который поглощает большое количество воды в решётчатой структуре, такой как монтмориллонит, имеет больший тиксотропный эффект по сравнению с другими стабильными глинистыми минералами. Тиксотропия имеет важные применения в связи с операциями по забивке свай. Мгновенная прочность на трение тиксотропной глины в забивных сваях меньше по сравнению с прочностью на трение через месяц из-за увеличения прочности с течением времени.