Влияние активации и дезактивации твёрдой фазы на коэффициент трения (вязкость) структурированных жидкостей

Коэффициент трения структурированной жидкости обусловлен прочностью структуры воды. Прочность же структуры воды зависит от гидрофильности (активации) твёрдой фазы (см. разд. 2). С увеличением гидрофильности увеличивается толщина гидратного слоя частиц, а с увеличением толщины слоя частиц понижается её прочность и прочность структуры промывочной жидкости в целом.

Вязкость раствора так же, как и прочность структуры в покое (СНС), понижают путём активации твёрдой фазы теми же полимерами и ПАВ.

Однако, как показывают экспериментальные исследования (малоглинистых) растворов, вязкость раствора при активации частиц иногда не понижается, а наоборот повышается.

Проследим это на конкретном примере. Активацию (гидрофилизацию) глинистых частиц чаще всего проводят щелочными электролитами и полимерами или их комбинациями. Поэтому влияние активации твердой фазы на вязкость рассмотрим на примере глинистого раствора (по материалам экспериментальных исследований Г.Я. Дедусенко, В.И. Иванникова и М.И. Липкеса [17]).

На рис. 7.7 показана зависимость эффективной вязкости 4%-го и 6%-го глинистых растворов от концентрации метаса. Из сопоставления этой зависимости с зависимостью прочности структуры (СНС) этого же раствора от концентрации метаса (рис. 5.4) видно их существенное отличие. Прочность структуры раствора при малой концентрации метаса, с ее увеличением понижается, а его вязкость растет. А при увеличении концентрации метаса выше 0,05%, наоборот - прочность структуры раствора растёт, а вязкость понижается.

Дело в том, что в покое молекулы воды гидратного слоя соорентированы

относительно твердой фазы и поэтому становятся весьма полярны. Макромолекулы своей полярной частью повернуты в сторону воды. СНС мало. При течении раствора молекулы воды находятся в хаотическом состоянии, полярность воды понижается и макромолекулы в сторону воды поворачиваются неполярной (гидрофобной) частью, прочность межмолекулярных связей гидрофобизованных частиц повышается, что приводит к повышению вязкости.

Существенное влияние на вязкость раствора оказывают активация и дезактивация твёрдой фазы электролитами.

Так же, как и активация полимерами активация твёрдой фазы глинистого раствора анионактивными щелочными электролитами приводит к понижению вязкости. Дезактивация твёрдой фазы катионоактивными электролитами, наоборот, приводит к повышению прочности структуры следовательно, повышению вязкости раствора.

Катионы не только дезактивируют глинистые частицы, но связывают их кулоновскими силами. Естественно, что с увеличением концентрации катионов (до определённого предела) прочность структуры и вязкость будут расти.

Введение в раствор катионоактивных электролитов при больших концентрациях приводит к полной коагуляции частиц (агрегатированию). Поэтому глинистый раствор обрабатывают предварительно полимерами (стабилизаторами). Такая совместная обработка глинистых растворов полимерами и катионами приводит к резкому повышению прочности структуры (СНС) и вязкости раствора.

Для примера вновь обратимся к экспериментальным результатам Г.Я. Дедусенко, В.И. Иванникова и М.И.Липкеса [17]. На рис. 4.8 показана зависимость условной вязкости стабилизированного щелочным метасом 4%-го бентонитового раствора от концентрации хлористого натрия. Из рисунка видно, что при концентрации соли до 0,02% происходит гидрофобизация частиц (водоотдача повысилась с 5 до 7 см³ за 30 мин), вследствие чего вязкость возросла. Далее с увеличением концентрации соли вязкость раствора возросла значительно интенсивнее. В этом случае вязкость повышается и за счёт кулоновского взаимодействия частиц твёрдой фазы с катионами соли (водоотдача остается постоянной). Наконец, при увеличении концентрации соли от 1 до 2,5% наблюдалась частичная коагуляция твердой фазы (водоотдача повысилась от 8 до 21 см³ за 30 мин) и понижение вязкости с 150 до 57с. Полной коагуляции и седиментации глинистых частиц при указанной концентрации соли не наблюдалось.

На рис. 4.9 показана зависимость вязкости этого же раствора от концентрации хлористого кальция. Из рисунка видно, что при малой концентрации соли наблюдались те же процессы: при концентрации 0,01-0,02 - слабая гидрофобизация твёрдой фазы и повышение за счёт этого вязкости раствора, при концентрации выше 0,04%-го темп повышения вязкости возрос, а при концентрации соли свыше 0,15% наблюдалась постепенная коагуляция твёрдой фазы.

В отличие от вышерассмотренного примера (обработки раствора солью одновалентного металла) при обработке солями двухвалентного металла коагуляция раствора происходит при значительно меньшей концентрации соли.

Таким образом, наибольшая эффективность для повышения вязкости структурированной жидкости достигается при комбинированной обработке глинистого раствора полимерами и катионоактивными электролитами.

Поиск по сайту: