Дисперсные системы объединяют широкий класс объектов окружающего нас мира, содержащих частицы размером от нескольких нанометров до сотен микрометров. Это системы, состоящие из двух и более фаз твердой, жидкой и газовой Непрерывная (сплошная) фаза называется дисперсионной средой, раздробленная и распределенная в этой среде фаза — дисперсной. Каждая из этих фаз находится в своем равновесном состоянии и обладает определенными физическими и химическими свойствами.
Лечебные грязи относятся к особому классу текучих сред, которые называются вязкопластичными жидкостями (ВПЖ), а их текучесть не подчиняется законам ньютоновской жидкости (вода, озерная рапа, существенно разбавленные грязевые растворы). Вязкопластичные жидкости структурированы и характеризуются реологическими параметрами, или структурно-механическими характеристиками ВПЖ: адгезия жидкости, когезия, начальное сопротивление сдвигу, пластическая вязкость. На прочность структуры лечебной грязи влияет не только ее состав, температура, плотность и влажность, но и интенсивность механического или иного внешнего воздействия, наносимого пелоиду перед или в период проведения лечения.
Динамическое состояние коллоидной системы грязи универсально и порождается непрерывным хаотическим движением частиц в жидкой или газовой средах (броуновское движение). По существу, все основные свойства коллоидных систем проявляются на фоне их участия в броуновском движении. Агрегативная (к коагуляции) и седиментационная (к осаждению) устойчивость, определяется конкуренцией между притяжением частиц под действием молекулярных сил и их участием в тепловом броуновском движении.
Геолого-гидрологические, ландшафтно-климатические и другие природные условия формирования пелоидов определяют их состав, а также специфические лечебные особенности. Лечебная грязь почти в 1,5 раза тяжелее воды, ее плотность равна 1,4.
Пластичность грязи определяет ее способность легко намазываться на тело и хорошо на нем удерживаться. Начальное сопротивление сдвигу является нормирующим параметром, по которому судят о пригодности пелоида к использованию в лечебных целях. Оно определяется пластомерами, выражается в дин/см2 и отражает величиной сопротивления сдвигу при минимальной силе, которая обусловливает первое нарушение структуры грязи. Считается, что кондиционными по этому параметру являются лечебные грязи при Rо = 150-200 Па, то есть от 1500 до 2500 дин/см2. При меньших значениях Rо грязь стекает с тела больного, при больших - резко возрастают потери энергии на механизированную доставку лечебной грязи по трубам на медицинские кушетки бальнеолечебницы. Торфяная грязь обладает меньшей пластичностью, чем иловая.
Реологический параметр Rо иногда называют статическим начальным сопротивлением сдвигу, подчеркивая тем самым, что только при R > R о появляется возможность стронуть покоящуюся лечебную грязь, то есть перевести ее из статического (неподвижного) состояния в динамическое (подвижное) состояние. При R < Rо лечебная грязь ведет себя как твердое тело, частицы которого не перемещаются ни относительно друг друга, ни относительно той поверхности, с которой оно соприкасается.
Нагрев пелоида от 20 до 50°С или не влияет, или приводит к снижению Rо. Чаще всего это снижение очень невелико (месторождения оз. Чокрак, лимана Куяльник) Однако для некоторых пелоидов влияние температурного фактора очень существенно.
Нагрев сопочных грязей булгапакской, грязей Таганрогского залива, сакской от 20 до 50°С снижает Rо в два раза. Нагрев снижает начальное сопротивление сдвигу торфов на заметную величину - 30—60 Па.
Пластическая вязкость
Лечебные грязи, занимающие по дисперсности промежуточное положение между коллоидными системами (d < 1 мкм), с одной стороны, и действительно грубодисперсными (d >100 мкм) - с другой, можно назвать микрогетерогенными. В этом случае частицы под действием молекулярных сил объединяются в пространственные структуры, которые удерживают частицы в поле действия сил, соизмеримых с силой тяжести. Энергия связи каждой из частиц с соседними в структурной сетке превышает величину энергии броуновского движения в десятки и даже сотни раз, а в силу относительно большего размера такие частицы вообще не могут участвовать в тепловом броуновском движении. Наличие структуры приводит к чрезвычайно резкому росту прочности и вязкости.
Пластическая вязкость Мр лечебных грязей зависит, как и начальное сопротивление сдвигу, главным образом, от их влажности (для торфов) или от плотности (для иловых и сопочных грязей). Влияние температуры проявляется в меньшей степени.
Вязкостные свойства линейновязких (бингамовских) сред однозначно характеризуются их пластической вязкостью Мр, которая растет при увеличении и снижается при уменьшении плотности иловых и сопочных лечебных грязей. Пластическая вязкость лечебных торфов изменяется в направлении, противоположном изменению их влажности.
На текучесть грязей влияет не только величина сдвиговых деформаций, характеризуемая скоростью сдвига, но и продолжительность перемешивания пелоида. Для изучения текучести различных материалов используют вискозиметры.
К числу факторов, влияющих на реологические свойства пелоидов, относится и многократность их применения. Опыты, показали, что пластическая вязкость свежей регенерированной грязи, использованной два, четыре и шесть раз, практически одинакова и от температуры не зависит. Начальное же сопротивление сдвигу после вторичного использования значительно падает в 1,5-3 раза в зависимости от плотности и температуры пелоида.
Липкость
Липкость G (Glutinositas — липкость, измеряется в н/м2 или в Па), или адгезионное давление, важный бальнеотехнический параметр, характеризующий одно из условий удержания грязевой аппликации на поверхности тела больного. Представляет собой силу сцепления двух разнородных тел, в частности пеллоида с кожным покровом человека. Численно характеризует минимальное значение силы, действующей по нормали к поверхности соприкосновения, достаточной для отрыва грязевой аппликации от этой поверхности в расчете на единицу площади.
Липкость позволяет определить условия неотрыва грязевой аппликации, то есть условия пребывания слоя пелоида в неподвижном, статическом состоянии, что позволяет отнести к её реостатическим параметрам. Липкость неодинакова для пелоидов разных месторождений, а для конкретной лечебной грязи зависит от её плотности или влажности, температуры, состояния поверхности тела и продолжительности контакта. Стабильное значение силы сцепления пелоида с поверхностью твердого тела устанавливается не сразу с момента наступления контакта, а после 1,5—2-минутного промежутка времени, в течение которого наблюдается резкое увеличение липкости. Еще большее влияние оказывает состав грязи.
Липкость иловой лечебной грязи с увеличением плотности возрастает. Прирост липкости при увеличении плотности на 0,1 г/см3 составляет 50-200 Па. Нагрев иловых грязей от 20 до 45° С снижает их липкость в 1,5 раза. Липкость пелоидов повышенной плотности может значительно понизиться в результате перемешивания.
Когезия
Сила взаимодействия между молекулами, как известно, зависит от расстояния, на котором они находятся друг от друга. Силой когезии (межмолекулярного взаимодействия) можно объяснить некоторые физические характеристики лечебной грязи.
Когезия характеризует силу сцепления частиц вещества. Поэтому когезию можно рассматривать как частный случай адгезии, ибо здесь роль и адгезива и субстрата играет одна и та же среда - лечебная грязь. Численно когезия равна силе, направленной изнутри объема ВПЖ по нормали к ее наружной поверхности, приложение которой приводит к нарушению монолитности ВПЖ из-за отрыва ее отдельных слоев или частиц от основного массива.
Физические и физико-химические свойства
Несмотря на то, что отдельные типы грязей значительно отличаются друг от друга, они обладают рядом общих свойств. Все лечебные грязи представляют собой однородную пластическую массу, характеризующуюся определенными теплофизическими и другими физико-химическими свойствами. Основными физико-химическими свойствами грязи, определяющими ее бальнеологическое значение, являются тепловые. В частности, чем выше теплоемкость, больше теплоудерживающая способность и меньше теплопроводность, тем тепловые свойства грязи активнее.
Удельная теплоемкость
определяется количеством тепла в килоджоулях, необходимым для нагревания 1 кг грязи на 1 К.
Для торфов и сапропелей она равна соответственно 3,34 и 3,05-3,93 КДж (кг • °С), а для иловых грязей - 2,10-3,34.
Теплопроводность
грязи определяется свойствами химических веществ, содержащихся в ней, соотношением неорганических и органических соединений. Определяется количеством тепла, проходящим через сечения в 1 м2 при длине 1 м с разностью температур на его концах в 1 кельвин. Наиболее высокая теплопроводность характерна для иловых грязей - она равна 0,88 Вт / (м2 • К). Для торфа и сапропелей она значительно меньше 0,46-0,47 Вт / (м2 • К) соответственно.
Когда больной подвергается действию грязевой аппликации, то при соприкосновении грязи с телом образуется изолирующий слой грязи, который в дальнейшем все время остается на коже и выравнивает свою температуру с температурой кожи человека. Благодаря этому человек легко может переносить грязевые аппликации значительно более высокой температуры, чем при водолечении. Теплопроводность анапской иловой сульфидной грязи почти в 1,5 раза выше теплопроводности воды. Отсюда можно заключить, что грязь должна согревать тело больше, чем вода. Теплопроводность сульфидных иловых грязей почти вдвое выше, чем торфяных, что объясняется большим содержанием в сульфидных иловых грязях минеральных веществ и рН грязевой среды. В силу этого при одной и той же температуре грязи процедура из сульфидной иловой грязи бывает более нагрузочной для организма, чем процедура из торфяной или сапропелевой. Установлено, что теплоемкость жидкой грязи выше, чем густой.
Теплоудерживающая способность
время в секундах, за которое 1 кг грязи при данной теплоемкости и теплопроводности изменяет свою температуру на 1 кельвин. Теплоудерживающая способность характеризует скорость охлаждения грязи. Она наиболее высока для торфов и сапропелей - 850 с. Для иловых грязей она в среднем составляет всего 450 с. Теплоудерживающую способность принято считать наиболее важной характеристикой для грязелечения. Нагретая грязь благодаря низкой теплопроводности и высокой теплоудерживающей способности медленно передает тепло тканям организма и сравнительно долго сохраняет необходимую для лечебного воздействия температуру.
Реакция грязевого раствора (рН) зависит от химического состава и характера течения биологических процессов в лечебной грязи. Различают:
- ультракислые грязи (рН < 2,5),
- кислые (рН 2,6-5,0),
- слабокислые (рН 5,1-7,0),
- слабощелочные (рН 7,1-9,0),
- щелочные (рН > 9,0).
