The role of particle interactions in the rheology of dispersed systems

Summary

Certain aspects of the rheological behaviour of dispersions cannot be understood unless attractive forces between the particles are assumed, resulting in the building-up of a network structure.

A network model is postulated in which the particles are arranged in chains. During deformation these chains are stretched resulting in breakage of bonds between the particles. In this process and especially in what happens after that, an important question is whether the relative motion of a single particle with respect to the surrounding network is noticeable to only a few particles in the immediate vicinity or to a large number of particles over relatively large distances. The necessary information about the changing network structure during a large deformation at constant shear rate was derived from dielectric measurements in the case of water in oil emulsions and from super-imposed oscillatory shear experiments in the case of fat crystal dispersions.

It is shown that the rheologieal behaviour of the water in oil emulsions may be characterized by motion of single particles, whereas in the fat-dispersions in oil collective displacements of large numbers of particles (aggregates) have to be taken into account.

In the fat dispersions the magnitude of the forces acting in the network chains is explained in terms ofvan der Waals interaction. In the emulsions such forces determine the behaviour only at sufficiently low rates of shear. At higher shear rates the hydrodynamic interaction between single particles has to be taken into account.

Among the quantities, which emerge from these network considerations is the characteristic time related with the motions of the particles or agglomerates. Therefore, time effects in dispersed systems are discussed more extensively.

Zusammenfassung

Bestimmte Aspekte des rheologischen Verhaltens von Dispersionen lassen sich nur unter der Voraussetzung von Anziehungskräften zwischen den Teilchen, die zur Bildung einer Netzwerkstruktur führen, erklären.

Es wird ein Netzwerkmodell postuliert, in welchem die Teilchen kettenförmig angeordnet sind. Während der Deformation werden diese Ketten gedehnt, was zum Bruch der Bindungen zwischen den Teilchen führt. In bezug auf diesen Vorgang und besonders auf das, was nachher geschieht, erhebt sich die wichtige Frage, ob die relative Bewegung eines einzelnen Teilchens sich hinsichtlich des umgebenden Netzwerks nur auf einige benachbarte Teilchen auswirkt oder sich auf eine größere Anzahl weiter entfernter Teilchen erstreckt. Die benötigte Information über die Änderungen der Netzwerkstruktur während größerer Deformationen bei konstanter Schergeschwindigkeit wurde an Hand von dielektrischen Messungen für Wasser-in-Öl-Emulsionen und im Falle von Fettkristalldispersionen mit Hilfe von Versuchen mit überlagerter oszillierender Scherung ermittelt. Es zeigt sich, daß das rheologische Verhalten von Wasser-in-Öl-Emulsionen sich durch die Bewegung einzelner Teilchen charakterisieren läßt, während bei Dispersionen in Öl kollektive Bewegungen einer größeren Zahl von Teilchen (Aggregaten) berücksichtigt werden müssen. In den Fettdispersionen wird die Größe der in den Ketten des Netzwerkes ausgeübten Kräfte durchvan derWaalssche Wechselwirkungen erklärt. In den Emulsionen bestimmen derartige Kräfte das Verhalten nur bei genügend niedrigen Schergeschwindigkeiten. Bei höheren Schergeschwindigkeiten ist mit einer hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen den einzelnen Teilchen zu rechnen.

Unter den Größen, die sich aus diesen Betrachtungen der Netzwerkstruktur ableiten lassen, ist die mit den Bewegungen der Teilchen oder Agglomerate verbundene charakteristische Zeit. Aus diesem Grunde werden die Zeiteffekte in dispersen Systemen ausführlich besprochen.