Tiksotroopia (tiksotroopsus): definitsioon, vedelikud, omadused ja näited

Tiksotroopsus on teatavate geelide või vedelike omadus, mis on tavatingimustes viskoosne (paks), kuid voolab (muutub õhukeseks, vähem viskoosseks), kui neid raputatakse, segatakse või muul viisil pingestatakse. See tähendab, et materjali voolavus sõltub lisaks rakendatud nihkepinge või nihkekiiruse suurusele ka ajaloost — kui kaua ja kuidas vedelikule jõudu rakendatakse.

Tehnilisemas keeles: mõned mitte-newtonistlikud vedelikud näitavad viskoossuse muutust; mida kauem vedelik läbib nihkepinge, seda madalam on tema viskoossus. Tiksotroopne vedelik on vedelik, mille tasakaaluviskoossuse saavutamine kestab piiritletud aja jooksul, kui see puutub kokku järk-järgulise nihkekiiruse muutusega. Paljud geelid ja kolloidid on tiksotroopsed materjalid, millel on rahuolekus stabiilne vorm, kuid mis muutuvad segamisel voolavaks. Oluline on eristada ajas sõltuvat õhenemist (tiksotroopia) kiirest, peaaegu kohesest pseudoplastilisest käitumisest: tiksotroopia nõuab aega struktuuri murdumiseks ja taastumiseks.

Kuidas tiksotroopia toimib

Paljudes tiksotroopsetes süsteemides moodustavad osakesed, molekulid või võrgustikud kolloidse struktuuri (flokkide, kiudude või hüpermolekulaarsete võrkude kujul), mis annavad vedelikule rahuolekus suurema viskoossuse.
Nihke, segamise või vibratsiooni mõjul need struktuurid lagunevad või orientseeruvad, mis vähendab sisemist takistust ja viib voolavuse suurenemiseni.
Pärast koormuse eemaldamist hakkavad osakesed või sidemed aja jooksul uuesti üles ehituma — viskoossus taastub, kuid taastumine võib võtta sekundeid kuni tunde, sõltuvalt materjalist ja tingimustest.

Erinevus muudest reoloogilistest käitumistest

Pseudoplastilisus (shear-thinning): viskoossus väheneb koos kasvava nihkekiirusega, kuid see muutus võib olla peaaegu kohe pöörduv — ei pruugi sõltuda ajast nii tugevalt kui tiksotroopia.
Tiksotroopia: viskoossus sõltub nii nihkekiirusest kui ka sellest, kui kaua nihketingimused kestavad; esineb selge ajaline efekt (struktuuri lagunemine ja aeglane taastumine).
Rheopexia (antitiksotroopia): vastand tiksotroopiale — pidev nihkepinge võib välja kutsuda viskoossuse suurenemise või tahkumise (mõned süsteemid paksenevad aja jooksul), see nähtus on palju haruldasem.

Kuidas tiksotroopiat mõõdetakse

Rheomeetri või viskoosimeetriga viiakse läbi ajas sõltuvad katsed: nt samm-nihkekiiruse katse (step shear test), kus tehakse järsk nihkekiiruse muutus ja jälgitakse viskoossuse evolutsiooni.
Histereesi- või silmuskatsetes tõstetakse ja langetatakse nihkekiirust ning registreeritakse jõud/viskoossus — tiksotroopsed materjalid annavad sageli erilise silmuse, mis näitab energia dissipatsiooni ja struktuurimuutust.
Mõõdetakse ka taastumisaega (näiteks aeg, mille jooksul 50% esialgsest viskoossusest taastub) ja tootemõõdetavaid parameetreid nagu tootemomendi (yield stress) muutumine.

Näited ja rakendused

Praktilistes olukordades on tiksotroopsus kasulik või vajalik mitmes valdkonnas:

Kodu- ja tööstusvärvid: värv peab olema paksem riiulil (et ei tilgu), aga harja või rulli all peab see hõlpsasti levima — tiksotroopia tagab mõlema omaduse kombinatsiooni.
Pildistamise ja trükivärvid: stabiilne paksus pakendis, kiiresti voolavus surve all.
Toidud: näiteks ketchup ja mõned kastmed — vajutamisel või loksutamisel muutuvad need voolavamaks, ent jahutamisel või rahus püsivad vormis.
Kosmeetika ja apteegitooted: kreemid, salvid ja suspensioonid — mugav kasutada ja samas säilitada osakeste või toimeainete ühtlus.
Õli- ja puurimismudid: tiksotroopsus aitab tolmude ja kivimiosakeste transportimisel ja aukude stabiilsuse säilitamisel.
Seramistööstus ja keraamilised pastad: tagab vormitavuse segamisel ning stabiilsuse vormis.

Mõjurid ja kuidas tiksotroopsust kontrollida

Koostis ja kontsentratsioon: osakeste suurus, kuju ja pindakeemia mõjutavad võrgustiku teket ja lagunemise kiirust.
Temperatuur: kõrgem temperatuur tavaliselt vähendab viskoossust ja võib kiirendada struktuuri hävitamist või taastumist.
pH ja ioonjõud: eriti kolloidsete süsteemide puhul mõjutavad need agregatsioonikäitumist.
Lisaained ja stabilisaatorid: paksendajad, kloriidid, polümeerid ja pindaktiivsed ained muudavad tiksotroopiat eesmärgipäraselt.
Mehaaniline ajalugu (shear history): eelnevad segamised või pumbamised määravad, kui kiiresti ja kui palju materjal voolab.

Kokkuvõte

Tiksotroopia on oluline ja laialt esinev ainete omadus, kus ravivoolavus sõltub nii rakendatud jõust kui ka ajast. Selle mõistmine ja mõõtmine on vajalik paljudes tööstusharudes — värvide, toiduainete, kosmeetika, farmaatsia ja tööstusvedelike puhul — et saavutada soovitud käitumine nii tootmisel kui lõppkasutuses. Vastandnähtus, rheopexia ehk antitiksotroopia, on palju haruldasem, kuid mõnikord ka tehniliselt oluline.

Looduslikud näited

Liival kõndides on tavaline kogemus, et kohati vedeldab liiv, kui selle peal kõndida. See on tiksotroopne reaktsioon survele. Äärmisel juhul võib jooksev liiv olla ohtlik inimesele ja loomadele.

Mõned savid on tiksotroopsed ja nende käitumine on väga oluline ehitus- ja geotehnika valdkonnas. Sellised maalihked, nagu need, mis esinevad Lyme Regise ümbruse kaljudel Dorsetis ja Aberfani katastroofis Walesis, on selle tõestuseks. Sarnaselt on lahar vulkaanilise sündmuse tagajärjel veeldunud maamass, mis pärast rahunemist kiiresti tahkestub.

Geotehnilistes rakendustes kasutatavad puurimishiivad võivad olla tiksotroopsed. Teatud tingimustel võib seda omadust omada ka mesilaste mesi (Heather honey).

Teine näide tiksotroopse vedeliku kohta on sünoviaalvedelik, mida leidub mõnede luude vahelistes liigestes.

Mõnedel koobaste uurimise käigus leitud savikihid on tiksotroopsed: algselt tahkena näiv mudakallas muutub supiks ja annab niiskust, kui seda kaevata või muul viisil häirida. Need savid on minevikus ladestunud madala kiirusega voolude poolt, mis kipuvad ladestama peeneteralist setet.

Neid omadusi kasutatakse sageli kaubanduslikes toodetes, mida kantakse pindadele, näiteks värvides või hambapastades. Värvi puhul kaob voolavus kiiresti ja pind taheneb püsivalt, kuna vesi (või õli) aurustub.

Küsimused ja vastused

Küsimus: Mis on tixtotroopia?

V: Tiksotroopia on teatavate geelide või vedelike omadus, mis on tavatingimustes viskoosne, kuid raputamisel või segamisel voolavad.

K: Mis on mitte-newtonistlikud vedelikud?

V: Mitte-newtonistlikud vedelikud on vedelikud, mille viskoossus muutub. Mida kauem vedeliku suhtes rakendatakse nihkepinget, seda madalam on selle viskoossus.

K: Mis on tiksotroopne vedelik?

V: Tiksotroopne vedelik on vedelik, mis saavutab tasakaalu viskoossuse piiritletud aja jooksul, kui selle suhtes rakendatakse järkjärgulist nihkekiiruse muutust.

K: Millised materjalid on näited tiksotroopsetest materjalidest?

V: Paljud geelid ja kolloidid on näited tiksotroopsetest materjalidest, mis on rahulikus olekus stabiilsed, kuid muutuvad segamisel voolavaks.

K: Millised on antitiksotroopsed vedelikud?

V: Anti-tiksotroopsed vedelikud on vedelikud, mille viskoossus suureneb või isegi taheneb, kui neile rakendatakse püsivat nihkepinget.

K: Kuidas saab vedeliku suhtes rakendada pidevat nihkepinget?

V: Konstantset nihkepinget saab vedelikule rakendada raputamise või segamise teel.

K: Kas anti-tiksotroopsed vedelikud on tavalised?

V: Ei, anti-tiksotroopsed vedelikud on palju vähem levinud kui tiksotroopsed vedelikud.