Тиксотропията е свойство на някои гелове или течности, които са вискозни (гъсти) при нормални условия, но текат (стават тънки, по-малко вискозни), когато се разклащат, разбъркват или натоварват по друг начин. На по-технически език: при някои ненютонови флуиди се наблюдава промяна във вискозитета; колкото по-дълго флуидът е подложен на срязващо напрежение, толкова по-нисък е неговият вискозитет. Тиксотропен флуид е флуид, на който му е необходимо крайно време, за да достигне равновесен вискозитет, когато е подложен на стъпаловидна промяна в скоростта на срязване. Много гелове и колоиди са тиксотропни материали, които показват стабилна форма в покой, но стават течни при разбъркване.
Как работи тиксотропията (механизъм)
Тиксотропията се дължи на обратима промяна в микроструктурата на материала при прилагане на напрежение или движение. В покой частиците, полимерните вериги или мицелните структури образуват пространствена мрежа (флокули, агрегати, мрежи от полимери), която „захваща“ матрицата и увеличава устойчивостта на поток. Под действие на срязващи сили тази вътрешна структура се разрушава — частиците се подреждат по потока или полимерните връзки се разгъват — и резултатът е по-нисък вискозитет. След прекратяване на натоварването структурата постепенно се възстановява (реконструкция) и вискозитетът се връща към първоначалната стойност, макар и с определено време за възстановяване.
Разлика между тиксотропия и псевдопластичност
Важно е да се прави разлика между:
- Псевдопластичност (независима от времето срязване) — вискозитетът намалява веднага с увеличаване на скоростта на срязване (широко разпространено поведение при полимери и суспензии), но ефектът е практически моментален и не зависи от продължителността на натоварването.
- Тиксотропия (времезависимо срязване) — за намаляване на вискозитета е необходимо време; при една и съща скорост на срязване вискозитетът продължава да намалява с времето, докато структурата се разрушава.
Примери на тиксотропни флуиди
- Боя и лак — в покой държат форма и не текат, но при четкане или валцоване се втечняват и лесно се нанасят.
- Бормаси и глинени суспензии (напр. бентонитови суспензии) — важни в сондажните течности за поддържане на пробен материал при покой и лесно изпомпване при работа.
- Кремове и козметични гелове — лесни за нанасяне при втрийване, но не се оттичат от опаковката.
- Некоторые строителни смеси и циментови пасти — при вибрация временно се втечняват, след което се възстановяват (важно за уплътняване и оформяне).
- Някои хранителни продукти (определени сосове, желета) — показват времезависима промяна на структурата при разбъркване.
Антитиксотропия (реопектия)
Някои материали показват обратен ефект — при постоянно срязващо натоварване вискозитетът нараства с времето и материалът може да се втвърди. Този феномен се нарича реопектия (rheopecty) и е по-рядко срещан. В литературата понякога се използва и терминът "антитиксотропни", но по-прецизната техническа дума е реопектни материали. Механизмите включват образуване на по-плътни структури под непрекъснато натоварване, агрегирането на частици или увеличаване на вътрешните връзки с времето.
Измерване и оценка
- Основният инструмент е реометр или ротационен вискозиметър (cone-and-plate, cup-and-bob), които позволяват контрол на скоростта на срязване или прилагане на срязващо напрежение и записване на промяната на вискозитета във времето.
- Често се използва тест със стъпаловидна промяна (step-shear test): прилагат се различни нива на срязване за определено време и се наблюдава времевият ход на вискозитета.
- Друг често прилаган метод е хистерезисна крива (напр. постепенно увеличаване и след това намаляване на скоростта на срязване) — площта на хистерезисната петля често служи като индекс на тиксотропията.
- Параметри: време за разрушаване, време за възстановяване (рекоуперейшън), тиксотропен индекс и площ на хистерезис.
Приложения и практическо значение
- В бояджийството тиксотропните багрилни системи предотвратяват постъпване и „подтичане“ при прилагане, но осигуряват добра разливност при нанасяне.
- В сондажната индустрия тиксотропните бормаси поддържат взети частици (проби) и пренасят отпадъци до повърхността, но могат да се изпомпват лесно при движение.
- В фармацията и козметиката тиксотропията улеснява дозиране и нанасяне, като същевременно осигурява стабилност в опаковката.
- В строителството тиксотропните циментови пасти и бетонови смеси намаляват отделянето на вода и подобряват обработваемостта при вибриране.
- В геотехника някои глини показват тиксотропно поведение, което е важно за стабилността на насипи и оразмеряване при динамично натоварване; в определени случаи бързото разрушаване на структурата води до внезапно намаляване на носимоспособността (ликвефакция).
Практически бележки
- Не всеки материал, който „става по-течен при разбъркване“, е строго тиксотропен — важно е да се установи дали промяната зависи от продължителността на срязването.
- Тиксотропията е по-значима при концентрирани суспензии и при материали с ясна вътрешна мрежа от връзки; добавки, температура и соленост могат силно да влияят върху поведението.
- При формулиране на продукти трябва да се балансира скоростта на разрушаване и скоростта на възстановяване, за да се постигне желаната работоспособност и стабилност.