§8. Агрегативная устойчивость дисперсных систем

Как указывалось в § 106, качественная особенность дисперсных систем состоит в их агрегативной неустойчивости.

Предотвращение агрегации первичных дисперсных частиц возможно в результате действия трех факторов устойчивости дисперсных систем: 1) кинетического, 2) электрического и 3) структурно-механического.

Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сближение, достаточное для проявления сил притяжения. Если частота столкновений коллоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой (кинетический фактор устойчивости). Это может иметь место при очень малой концентрации дисперсных частиц (например, в некоторых аэрозолях) или при очень большой вязкости дисперсионной среды (например, в дисперсных системах типа ).

Рис. 102. Схема перекрывания ионных атмосфер двух коллоидных частиц.

Большинство устойчивых дисперсных систем кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды содержат еще компонент, являющийся стабилизатором дисперсности. Стабилизатором могут быть как ионы, так и молекулы, в связи с чем различают два механизма стабилизации дисперсных систем: электрический и молекулярно-адсорбционный (стр. 324),

Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Такая стабилизация имеет основное значение для получения устойчивых лиозолей и суспензий в полярной среде, например в воде. В любом гидролизе все коллоидные частицы имеют одинаковый знак заряда. Однако коллоидная мицелла в целом электронейтральна в результате образования двойного электрического слоя. Поэтому электростатическое отталкивание между коллоидными частицами (электрический фактор устойчивости) возникает только при достаточном сближении, когда происходит перекрывание их ионных атмосфер (рис. 102). Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем больше перекрывание диффузных частей двойного электрического слоя коллоидных частиц, т. е. чем меньше расстояние между ними и чем больше толщина двойного электрического слоя.

Кроме электростатического отталкивания между коллоидными частицами, как и между молекулами любого вещества, действуют межмолекулярные силы притяжения, среди которых наибольшую роль играют дисперсионные силы. Действующие между отдельными молекулами дисперсионные силы быстро убывают с увеличением расстояния между ними. Но взаимодействие коллоидных частиц обусловлено суммированием дисперсионных сил притяжения между всеми молекулами, находящимися на поверхности контакта коллоидных частиц. Поэтому силы притяжения между коллоидными частицами убывают медленнее и проявляются на больших расстояниях, чем в случае отдельных молекул.

Потенциальная энергия взаимодействия (U) между коллоидными частицами представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электростатического отталкивания и потенциальной энергии дисперсионного притяжения между ними:

Если (по абсолютной величине), то отталкивание преобладает над притяжением и дисперсная система устойчива.

Рис. 103. Потенциальная энергия взаимодействия между двумя одинаково заряженными частицами: 1 - электрическое отталкивание 2 - дисперсионное притяжение ; 3 - результирующая энергия взаимодействия ; 4 - то же, но при более крутом падении кривой ; х - расстояние между частицами; - потенциальный барьер взаимодействия дисперсных частиц.

Если , то происходит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и седиментация последних. Коллоидный раствор коагулирует, т. е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.

В этом состоит сущность теории электрической стабилизации и коагуляции дисперсных систем, развитой впервые Б. В. Дерягиным , а затем Л. Д. Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком (1948 г.); по первым буквам фамилий авторов ее называют теорией ДЛФО.

На рис. 103 приведены зависимости величин и от расстояния между коллоидными частицами. При этом, как принято в физике, потенциальной энергии притяжения приписывается знак минус, а отталкивания - знак плюс. Как видно, результирующая энергия взаимодействия (кривая 3 на рис. 103) приводит к притяжению на очень малых и отталкиванию на больших расстояниях между частицами. Решающее значение для устойчивости дисперсных систем имеет величина потенциального барьера отталкивания , которая, в свою очередь, зависит от хода кривых и . При больших значениях этого барьера коллоидная система устойчива. Слипание коллоидных частиц возможно лишь при достаточном их сближении. Это требует преодоления потенциального барьера отталкивания. При некоторых небольших положительных значениях (кривая 3) преодолеть его могут лишь немногие коллоидные частицы с достаточно кинетической энергией. Это соответствует стадии медленной коагуляции, когда только небольшая часть соударений коллоидных частиц приводит к их слипанию. При медленной коагуляции со временем происходит некоторое уменьшение общего числа коллоидных частиц в результате образования агрегатов из первичных частиц, но коагулят не выпадает. Подобную коагуляций, не сопровождающуюся видимым изменением коллоидного раствора, называют скрытой коагуляцией.

При дальнейшем уменьшении потенциального барьера скорость коагуляции, характеризуемая изменением числа частиц в единицу времени, возрастает. Наконец, если потенциальный барьер переходит из области отталкивания в область притяжения (кривая 4 на рис. 103), наступает быстрая коагуляция, когда каждое соударение коллоидных частиц приводит к их слипанию; в коллоидном растворе образуется осадок - коагулят, происходит явная коагуляция.

Потенциальный барьер отталкивания возникает в результате суммирования сил отталкивания и притяжения, действующих между коллоидными частицами. Поэтому все факторы, влияющие на ход кривых 1 и 2 (рис. 103), приводят к изменению как величины , так и положения максимума (т. е. расстояния X, соответствующего ).

Значительное уменьшение происходит в результате изменения потенциальной энергии электростатического отталкивания (т. е. хода кривой 1), вызванного добавлением электролитов к коллоидному раствору. С увеличением концентрации любого электролита происходит перестройка двойного электрического слоя, окружающего коллоидные частицы: все большая часть противо-ионов вытесняется из диффузной в адсорбционную часть двойного Электрического слоя. Толщина диффузной части двойного электрического слоя (слой 4 на рис. 100), а вместе с ней и всего двойного электрического слоя (слой 2 на рис. 100) уменьшается. Поэтому кривая потенциальной энергии электростатического отталкивания снижается более круто, чем показанная на рис. 103 кривая 1. В результате этого потенциальный барьер отталкивания уменьшается и смещается в сторону меньшего расстояния между коллоидными частицами. Когда двойной электрический слой сжимается до толщины адсорбционного слоя (слой 8 на рис. 100), то вся кривая взаимодействия дисперсных частиц оказывается в области притяжения (кривая 4 на рис. 103), наступает быстрая коагуляция. Такое изменение устойчивости коллоидного раствора происходит при добавлении любого электролита.

Коагулирующее действие электролитов характеризуют порогом коагуляции, т. е. наименьшей концентрацией электролита, вызывающей коагуляцию. В зависимости от природы электролита и коллоидного раствора порог коагуляции изменяется в пределах от до 0,1 моль в литре золя. Наиболее существенное влияние на порог коагуляции оказывает заряд коагулирующего иона электролита, т. е. иона, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидной частицы.

Многозарядные противоионы электролита имеют повышенную адсорбционную способность по сравнению с однозарядными и проникают в адсорбционную часть двойного электрического слоя в больших количествах. При этом порог коагуляции уменьшается не пропорционально заряду противоиона, а значительно быстрее.

Блестящим подтверждением теории ДЛФО явился расчет Б. В. Дерягиным и Л. Д. Ландау (1941 г.) соотношения значений порогов коагуляции вызываемой электролитами, содержащими ионы с разной величиной заряда. Оказалось, что порог коагуляции обратно пропорционален шестой степени заряда коагулирующего иона. Следовательно, значения порогов коагуляции для одно-, двух-, трех- и четырехзарядных ионов должны относиться, как

что близко к соотношениям концентраций электролитов, которые наблюдались при коагуляции разнообразных гидрозолей. Сказанное иллюстрируют данные табл. 22, где приведены эквивалентные концентрации электролитов , вызывающие коагуляцию гидрозоля оксида .

Таблица 22. Пороги коагуляции отрицательно заряженного золя электролитами

Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем играет большую роль в устойчивости дисперсий как в водной, так и в неводных средах. Дисперсные системы в неводных средах в принципе менее устойчивы, чем в водной среде. В неполярной и не содержащей воды дисперсионной среде частицы дисперсной фазы лишены электрического заряда. Электрический фактор стабилизации отсутствует. Между дисперсными частицами действуют только силы взаимного притяжения. Ослабление этих сил, приводящее к стабилизации дисперсных систем, может происходить в результате образования вокруг коллоидных частиц адсорбционных слоев из молекул дисперсионной среды и растворенных в ней веществ. Такие слои ослабляют взаимное притяжение частиц дисперсной фазы и создают механическое препятствие их сближению.

Стабилизация дисперсных систем за счет сольватации дисперсной фазы молекулами дисперсионной среды возможна как в полярных, так и в неполярных средах. Так, гидратация частиц глины и кремниевой кислоты имеет существенное значение для устойчивости суспензий глин и золя кремниевой кислоты в водной среде.

Однако стабилизация дисперсных систем значительно более эффективна при добавлений к ним поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений, адсорбирующихся на границе раздела фаз. Адсорбционные слои ПАВ и высокомолекулярных соединений, обладая упругостью и механической прочностью, предотвращают слипание дисперсных частиц. Образование таких молекулярно-адсорбционных твердообразных поверхностных слоев П. А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем. Этот механизм стабилизации играет основную роль при получении предельно устойчивых высококонцентрированных пен, эмульсий, коллоидных растворов и суспензий не только в неводиых, но и в водных средах. Для структурно-механической стабилизации дисперсий в водной среде применяют мыла щелочных металлов, белки, крахмал, а в неводных средах - мыла щелочноземельных металлов, смолы, каучуки. Такие вещества называют защитными коллоидами.

Дополнительная:

1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - Л.: Химия, 1984, с.228-257.

2. Конюхов В.Ю. Полимеры и коллоидные системы. - М.: МГУП, 1999.с. 48-55.

3. Щукин Е.Д. Коллоидная химия. - М.: Высш.шк., 2004. - с. 316-334.

4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976, с.259- 296.

5. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия - М.: Высш. шк., 1990, с.424 - 440.

Коллоидные системы характеризуются высокой раздробленностью дисперсной фазы (дисперсностью): размер коллоидных частиц обычно составляет . Высокая дисперсность обуславливает большую поверхность раздела фаз и как следствие - большую избыточную поверхностную энергию.

Стремление систем к уменьшению поверхностной энергии приводит к самопроизвольному уменьшению площади за счет укрупнения частиц или их агрегации. Такие системы называют агрегативно-неустойчивыми. Проблема устойчивости дисперсных систем является одной из важнейших в коллоидной химии. Обеспечение устойчивости таких коллоидных систем, как краски, клеи, лаки и т.д. имеет большое значение для полиграфической технологии и других отраслей промышленности.

По предложению П.П.Пескова устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида: устойчивость к осаждению дисперсной фазы -седиментационная устойчивость и устойчивость к агрегации её частиц -агрегативная устойчивость. Седиментационная устойчивость характеризует способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц дисперсной фазы по объему дисперсионной среды.

Седиментационной устойчивостью обладают ультрамикрогетерогенные системы, способные участвовать в броуновском движении, в результате которого частицы дисперсной фазы с размерами <1 мкм практически равномерно распределяются по объёму дисперсионной среды.

С точки зрения агрегативной устойчивости дисперсные системы могут быть термодинамически устойчивыми (лиофильными), они образуются в результате самопроизвольного диспергирования (растворения) одной из фаз. Примерами таких систем могут служить растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), мицеллярные растворы коллоидных ПАВ и другие.

Термодинамически неустойчивые дисперсные системы получили название лиофобных дисперсных систем. Такие системы не могут быть получены самопроизвольным диспергированием, для их образования должна быть затрачена внешняя энергия. Для обеспечения агрегативной устойчивости в такие системы часто вводят стабилизаторы.

Перечислим факторы агрегативной устойчивости лиофобных золей:

Выделение">электростатический фактор стаблизации коллоидных систем. Для создания потенциального барьера отталкивания коллоидных частиц и обеспечения тем самым агрегативной устойчивости в лиофобные системы (коллоидные золи) добавляют электролиты.

Добавление электролитов приводит к возникновению на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя. Образование ДЭС приводит, с одной стороны, к уменьшению межфазного натяжения, что повышает термодинамическую устойчивость систем, а с другой стороны, создает на пути агрегации частиц потенциальный барьер электростатического отталкивания (ионный фактор устойчивости).

Рассмотрим природу этого барьера. Согласно теории устойчивости гидрофобных коллоидов Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека (теория ДЛФО ), между частицами, имеющими ДЭС, действуют силы притяжения и силы отталкивания. Силы отталкивания вызываются расклинивающим давлением: при сближении частиц происходит перекрывание диффузных частей ДЭС и концентрация противоионов между частицами становится выше, чем внутри фазы. Возникает поток дисперсионной среды в пространство между частицами, стремящийся разъединить их. Этот поток и создает расклинивающее давление.

Силы притяжения между частицами имеют природу Ван-дер-ваальсовых сил. Суммарная кривая зависимости потенциальной энергии взаимодействия при сближении одноименно заряженных частиц от расстояния между ними имеет сложную форму, поскольку и энергия притяжения, и энергия отталкивания описываются разными функциональными зависимостями. В общем случае она имеет два минимума (первичный и вторичный) и максимум - потенциальный барьер.

Максимум потенциальной энергии (формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook948/files/Ris-75.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" участвующих в броуновском движении то сближающиеся частицы преодолевают потенциальный барьер и агрегируют друг с другом. Такая система и кинетически, и термодинамически неустойчива.

При введении постороннего электролита в дисперсную систему уменьшается толщина диффузного слоя, уменьшается величина электрокинетического потенциала, а, следовательно, и выделение">коагуляцию , заключающуюся в слипании (слиянии) частиц дисперсной фазы. В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системы. Коагуляцией является и процесс слияния капель и пузырьков, обычно называемый коалесценцией.

Коагуляция и изотермическая перегонка вызывают нарушение седиментационной устойчивости и разделение фаз (образование хлопьев, выпадение осадков, расслоение). В концентрированных системах коагуляция может привести к образованию пространственных структур и не сопровождаться разделением фаз. Коагуляция лиофобных дисперсных систем может происходить в результате различных внешних воздействий: при нагревании или охлаждении, интенсивном встряхивании, перемешивании, действии света и различного рода излучений, действии электрических разрядов, действии ультразвука и т.д. Наиболее часто коагуляция дисперсных систем происходит при добавлении электролитов - электролитная коагуляция.

Коагулирующей способностью обладает один из ионов добавляемого электролита (ион-коагулятор). Коагулирующая способность иона-коагулятора возрастает с увеличением его заряда (правило Шульце). Заряд коагулирующего иона всегда противоположен заряду коллоидной частицы (правило Гарди). Следовательно, коагуляцию отрицательного золя вызывают катионы добавленного электролита.

Критическое значение концентрации, при котором данный электролит вызывает коагуляцию, называют порогом коагуляции (Ск). Его выражают в ммоль/л или моль/л.

С точки зрения кинетики коагуляции, коагуляция может быть быстрой и медленной. Медленная коагуляция связана с неполной эффективностью столкновений вследствие существования энергетического барьера, когда не все соударения частиц эффективны. Скорость коагуляции на этой стадии зависит от концентрации вводимого электролита.

Быстрая коагуляция наступает при введении определенного для данной системы количества электролита (пороговой концентрации), при которой кинетическая энергия большинства частиц превышает величину указанного барьера, и каждое столкновение частиц приводит к слипанию. Поэтому на скорость быстрой коагуляции концентрация электролита уже не влияет. Коагулирующая способность электролитов, как и их адсорбционная способность, зависит от заряда и радиуса ионов.

Концентрацию электролита, начиная с которой скорость коагуляции остается постоянной, называют порогом быстрой коагуляции ..gif" border="0" align="absmiddle" alt="=0 все соударения частиц являются эффективными, теория дает для константы скорости быстрой коагуляции простую формулу: формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook948/files/Ris-52.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" - вязкость среды..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" и не все соударения частиц являются эффективными (в формулу определения константы скорости медленной коагуляции формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook948/files/Ris-82.gif" border="0" align="absmiddle" alt="..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" и медленной выделение">мерой стабильности системы .

Согласно теории ДЛФО, при быстрой коагуляции коллоидных систем электролитами возможны два основных механизма:

Выделение">Концентрационная коагуляция наблюдается в золях при увеличении концентрации электролита, т.е. ионной силы раствора. Этот механизм коагуляции осуществляется при действии индифферентных электролитов, не способных к специфической адсорбции.

Нейтрализационная (адсорбционная) коагуляция происходит в результате уменьшения формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook948/files/Ris-84.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" (по теории ДЛФО n=6).

На коагуляцию влияет присутствие разных электролитов в системе, причем, неоднозначно. Наблюдаемые при этом явления можно свести к следующим: антогонизму, аддитивности и синергизму (см. ). Кроме того, присутствие золей с разноименно заряженными частицами может привести к взаимной коагуляции (гетерокоагуляции).

Устойчивость лиофобных золей против коагуляции возрастает в присутствии ВМВ: белков, полисахаридов и т. п. Способность защищать золи от коагуляции количественно выражают защитным числом , равным числу миллиграммов сухого ВМВ, защищающего 10 мл золя от коагуляции при приливании к золю 1 мл 10 %-ного раствора выделение">сенсибилизацией . По всей видимости, при малой концентрации ВМВ на частицах образуется рыхлый адсорбционный слой, часть поверхности частиц остается свободной и возрастает вероятность адсорбции одной макромолекулы различными ее участками на двух частицах дисперсной фазы.

Факторы агрегативной устойчивости коллоидных систем. Виды коагуляции коллоидных систем

Основным методом очистки природных и сточных вод от мелкодисперсных, эмульгированных, коллоидных и окрашенных примесей (1 и 2 группы) является коагуляция и флокуляция. Методы основаны на агрегировании частиц дисперсной фазы с последующим их удалением из воды механическим отстаиванием.

Эффективность и экономичность процессов коагуляционной очистки сточных вод определяется устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от ряда факторов: степени дисперсности, характера поверхности частиц, плотности частиц, величины электрокинœетического потенциала, концентрации, наличия в сточной воде других примесей, к примеру, электролитов, высокомолекулярных соединœений.

Существуют различные способы проведения коагуляции, целœесообразность применения которых зависит от факторов предопределяющих агрегативную устойчивость систем.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем зависит от их строения.

Обладая большой удельной поверхностью, коллоидные частицы способны адсорбировать из воды ионы, вследствие чего соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равные по величинœе. В результате на поверхности возникает двойной электрический слой. Ионы относительно прочно связанные с дисперсной твердой фазой называют потенциалопределяющими . Οʜᴎ нейтрализуются избытком противоионов . Толщина двойного слоя в водных растворах не превышает 0,002 мм.

Степень адсорбции ионов зависит от сродства адсорбируемых ионов к поверхности, их способности образовывать недиссоциируемые поверхностные соединœения. При адсорбции ионов одинаковой валентности адсорбционная способность повышается с увеличением радиуса иона и, соответственно, его поляризуемости, ᴛ.ᴇ. способности притягиваться к поверхности коллоидной частицы. Увеличение радиуса иона сопровождается также уменьшением его гидратации, наличие плотной гидратной оболочки препятствует адсорбции, т.к. уменьшает электрическое взаимодействие иона с поверхностью коллоидной частицы.

Согласно современным представлениям о строении двойного электрического слоя слой противоинов состоит из двух частей. Одна часть примыкает к межфазной поверхности и образует адсорбционный слой, толщина которого равна радиусу составляющих его гидратированных ионов. Другая часть противоионов находится в диффузном слое, толщина которого зависит от свойств и состава системы. В целом мицелла электронейтральна. Строение мицеллы – коллоидной частицы – представлено на рис.1.1.

Разность потенциалов между потенциалопределяющими ионами и всœеми противоионами принято называть термодинамическим φ-потенциалом.

Заряд на частицах препятствует их сближению, чем, в частности, и определяется устойчивость коллоидной системы. В целом устойчивость коллоидных систем обусловлена наличием заряда у гранулы, диффузионного слоя и гидратной оболочки.

Рис.3.1. Строение мицеллы: Рис.3.2. Схема двойного электрического

I – ядро мицеллы; слоя в электрическом поле

II – адсорбционный слой; (I-II – гранула);

III – диффузионный слой;

IV – гидратная оболочка

При движении частицы в дисперсной системе или при наложении электрического поля часть противоионов диффузного слоя остается в дисперсной среде и гранула приобретает заряд, соответствующий заряду потенциалопределяющих ионов. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, дисперсионная среда и дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными.

Разность потенциалов между адсорбционным и диффузным слоями противоионов принято называть электрокинœетическимζ – потенциалом (рис. 1.2).

Электрокинœетический потенциал является одним из важнейших параметров двойного электрического слоя. Величина ζ – потенциала обычно составляет единицы и десятки милливольт исходя из состава фаз и концентрации электролита. Чем больше величина ζ– потенциала, тем более устойчива частица.

Рассмотрим термодинамические и кинœетические факторы устойчивости дисперсных систем:

· Электростатический фактор устойчивости . С позиции физической кинœетики молекулярное притяжение частиц является основной причиной коагуляции системы (ее агрегативной неустойчивости). В случае если на коллоидных частицах образовался адсорбционный слой, имеющий ионную природу, то при достаточном сближении одноименно заряженных частиц возникают электростатические силы отталкивания. Чем толще двойной электрический слой, тем интенсивнее результирующая сила отталкивание частиц, тем больше высота энергетического барьера и тем меньше вероятность слипания частиц. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, устойчивость коллоидных систем в присутствии ионного стабилизатора зависит от свойств двойного электрического слоя.

· Сольватационный фактор устойчивости . Силы отталкивания бывают вызваны существованием на поверхности сближающихся частиц сольватных (гидратных) оболочек или так называемых граничных фаз, состоящих лишь из молекул дисперсионной среды и обладающих особыми физическими свойствами. Ядро мицеллы нерастворимо в воде, следовательно, и не гидратировано. Ионы, адсорбированные на поверхности ядра, и противоионы двойного электрического слоя гидратированы. Благодаря этому вокруг ядра создается ионно-гидратная оболочка. Толщина ее зависит от распределœения двойного электрического слоя: чем больше ионов находится в диффузном слое, тем больше и толщина гидратной оболочки.

· Энтропийный фактор устойчивости. Обусловлен тепловым движением сегментов молекул ПАВ, адсорбированных на коллоидных частицах. При сближении частиц, имеющих адсорбционные слои из молекул ПАВ или высокомолекулярных веществ, происходит сильное уменьшение энтропии адсорбционного слоя, что препятствует агрегированию частиц.

· Структурно-механический фактор устойчивости. Адсорбционно-сольватные слои ПАВ могут представлять собой структурно-механический барьер, препятствующий сближению частиц. Защитные слои противоионов-стабилизаторов, являясь гелœеобразными, обладают повышенной структурной вязкостью и механической прочностью.

· Гидродинамический фактор устойчивости . Скорость коагуляции может снижаться благодаря изменению вязкости среды и плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

· Смешанные факторы наиболее характерны для реальных систем. Обычно агрегативная устойчивость обеспечивается несколькими факторами одновременно. Особенно высокая устойчивость наблюдается при совокупности действия термодинамических и кинœетических факторов, когда наряду со снижением межфазного натяжения проявляются структурно-механические свойства межчастичных прослоек.

Необходимо иметь в виду, что каждому фактору устойчивости соответствует специфический метод его нейтрализации. К примеру, действие электростатического фактора значительно снижается при введении в систему электролитов, которые сжимают двойной электрический слой.

Сольватация при сольватационном факторе должна быть исключена лиофобизацией частиц дисперсной фазы с помощью адсорбции соответствующих веществ. Действие структурно-механического фактора можно снизить с помощью веществ, разжижающих и растворяющих упругие структурированные слои на поверхности частиц.

Дестабилизация системы должна быть вызвана различными причинами, результатом многих из них является сжатие диффузного слоя, а следовательно, и уменьшение значения ζ-потенциала. Сжатие диффузного слоя уменьшает и степень гидратации ионов, в изоэлектрическом состоянии (ζ= 0, мВ) гидратная оболочка вокруг ядра предельно тонка (10 -10 м) и не защищает мицеллы от слипания при столкновении, в результате начинается агрегация частиц.

Седиментационная устойчивость коллоидных систем (СУ) – способность дисперсной системы сохранять равномерное распределœение частиц по всœему объёму) обусловлена броуновским движением коллоидных дисперсий и диффузией частиц дисперсной фазы.

Седиментационная устойчивость системы зависит от действия двух факторов, направленных взаимно противоположно: силы тяжести, под действием которой частицы осœедают, и диффузии, при которой частицы стремятся к равномерному распределœению по объёму. В результате возникает равновесное диффузионно-седиментационное распределœение частиц по высоте, зависящее от их размера.

Диффузия замедляется с увеличением размера частиц. При достаточно высокой степени дисперсности частиц броуновское движение, как движение диффузионное, приводит к выравниванию концентраций по всœему объёму. Чем меньше частицы, тем больший срок требуется для установления равновесия.

Скорость осœедания частиц пропорциональна квадрату их диаметра. В грубодисперсных системах скорость достижения равновесия сравнительно большая и равновесие устанавливается в течение нескольких минут или часов. В тонкодисперсных растворах она мала, и до момента равновесия проходят годы или даже десятки лет.

Виды коагуляции

В современной теории коагуляции дисперсных систем разработанной Дерягиным, Ландау, Фервеем, Овербеком (теория ДЛФО) степень устойчивости системы определяется из баланса молекулярных и электростатических сил. Различают два типа коагуляции:

1) концентрационную, при которой потеря устойчивости частиц связана со сжатием двойного слоя;

2) нейтрализационную (коагуляция электролитами), когда наряду со сжатием двойного слоя уменьшается потенциал φ 1 .

Концентрационная коагуляция характерна для сильно заряженных частиц в высококонцентрированных растворах электролитов. Чем выше потенциала φ 1 ДЭС, тем сильнее противоионы притягиваются к поверхности частиц и своим присутствием экранируют рост электрического поля. По этой причине при высоких значениях φ 1 силы электростатического отталкивания между частицами не возрастают безгранично, а стремятся к некоторому конечному пределу. Этот предел достигается при φ 1 более 250 мв. Отсюда следует, что взаимодействие частиц с высоким φ 1 -потенциалом не зависит от величины этого потенциала, а определяется только концентрацией и зарядом противоионов.

По мере увеличения концентрации электролита величина ζ – потенциала (ДП) снижается, а φ 1 практически сохраняет свое значение (рис. 3.3).

Рис. 3.3. а) Взаимосвязь между φ-потенциалом и ДП (ζ – потенциал) для сильно заряженной частицы (концентрационная коагуляция);

б) Взаимосвязь между φ-потенциалом и ДП для слабо заряженной частицы (нейтрализационная коагуляция).

Чтобы вызвать коагуляцию золя, крайне важно превысить некоторую максимальную концентрацию ионов – коагулянтов – порог коагуляции.

Теория ДЛФО дает возможность определить величину порога концентрационной коагуляции (γ):

Где Ск - константа͵ слабо зависящая от отношения зарядов катиона и аниона электролита; ε- диэлектрическая проницаемость раствора; А - константа͵ характеризующая молекулярное притяжение частиц; е - заряд электрона; z i - валентность противоиона.

Из уравнения (1.1.) видно, что порог коагуляции не зависит от φ 1 , и обратно пропорционален шестой степени валентности противоионов. Для одно-, двух-, трех- и четырехвалентных ионов соотношение порогов коагуляции будет равно

Нейтрализационная коагуляция характерна для слабо заряженных частиц. Потеря агрегативной устойчивости обусловлена адсорбцией противоионов и снижением потенциала диффузного слоя φ 1.

При невысоких концентрациях электролита͵ когда толщина диффузного слоя велика, значения φ 1 и ζ – потенциала близки (рис.3.3.).По этой причине значение ζ – потенциала при нейтрализационной коагуляции достаточно надежно характеризует степень устойчивости золя.

Согласно теории Дерягина, критическая величина потенциала () связана с условиями нейтрализационной коагуляции соотношением

где С н - константа; А χ - величина, обратная толщинœе диффузного слоя.

3) Коагуляция должна быть вызвана прибавлением в систему электролитов и под воздействием физико-химических факторов (перемешивание системы, нагревание, замораживание с последующим оттаиванием, воздействие магнитного или электрического полей, ультрацентрифугирование, ультразвуковое воздействие и др.).

Факторы агрегативной устойчивости коллоидных систем. Виды коагуляции коллоидных систем - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Факторы агрегативной устойчивости коллоидных систем. Виды коагуляции коллоидных систем" 2017, 2018.

§8. Агрегативная устойчивость дисперсных систем

В данном разделе обсуждаются явления и процессы, обусловленные агрегативной устойчивостью дисперсных систем.

Прежде всего отметим, что все дисперсные системы в зависимости от механизма процесса их образования по классификации П.А.Ребиндера подразделяют на лиофильные, которые получаются при самопроизвольном диспергировании одной из фаз (самопроиз­вольное образование гетерогенной свободнодисперсной системы), и лиофобные, получающиеся в результате диспергирования и конденсации (принудительное образование гетерогенной свободнодисперсной системы).

Лиофобные системы по определению должны обладать избытком поверхностной энергии, если она не скомпенсирована введением стабилизаторов. Поэтому в них самопроизвольно идут процессы укрупнения частиц, т. е. происходит снижение поверхностной энергии за счет уменьшения удельной поверхности. Такие системы называют агрегативно неустойчивыми.

Укрупнение частиц может идти разными путями. Один из них, называемый изотермической перегонкой , заключается в переносе вещества от мелких частиц к крупным (эффект Кельвина). В результате мелкие частицы постепенно растворяются (испаряются), а крупные – растут.

Второй путь, наиболее характерный и общий для дисперсных систем, представляет собой коагуляцию (от лат, свертывание, затвердение), заключающуюся в слипании частиц.

Коагуляция в разбавленных системах также приводит к потере седиментационной устойчивости и в конечном итоге к расслоению (разделению) фаз.

Процесс слияния частиц получилназвание коалесценции .

В концентрированных системах коагуляция может проявляться в образовании объёмной структуры, в которой равномерно распределена дисперсионная среда. В соответствии с двумя разными результатами коагуляции различаются и методы наблюдения этого процесса. Укрупнение частиц ведёт, например, к увеличению мутности раствора, уменьшению осмотического давления. Структурообразование изменяет реологические свойства системы, возрастает её вязкость, замедляется течение.

Устойчивая свободнодисперсная система, в которой дисперсная фаза равномерно распределена по всему объёму, может образоваться в результате конденсации из истинного раствора. Потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остается прослойка среды.

Обратный процесс образования устойчивой свободнодисперсной системы из осадка или геля (структурированной дисперсной системы) называется пептизацией.

Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек среды и непосредственному контакту частиц. В итоге или образуются жесткие агрегаты из твёрдых частиц, или происходит полное слияние их в системах с жидкой или газообразной дисперсной фазой (коалесценция). В концентрированных системах образуются жесткие объёмные твердообразные структуры, которые снова можно превратить в свободнодисперсную систему только с помощью принудительного диспергирования. Таким образом, понятие коагуляции включает в себя несколько процессов, идущих с уменьшением удельной поверхности системы.

Рис.33. Процессы, вызывающие потерю устойчивости дисперсных систем.

Агрегативная устойчивость нестабилизированных лиофобных дисперсных систем носит кинетический характер, и судить о ней можно по скорости процессов, вызываемых избытком поверхностной энергии.

Скорость коагуляции определяет агрегативную устойчивость дисперсной системы, для которой характерен процесс слипания (слияния) частиц.

Агрегативная устойчивость может носить и термодинамический характер, если дисперсная система не обладает избытком поверхностной энергии. Лиофильные системы термодинамически агрегативно устойчивы, они образуются самопроизвольно и для них процесс коагуляции вообще не характерен.

Лиофобные стабилизированные системы термодинамически устойчивы к коагуляции; они могут быть выведены из такого состояния с помощью воздействий, приводящих к избытку поверхностной энергии (нарушение стабилизации).

В соответствии с вышеизложенной классификацией различают термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Так как движущей силой коагуляции является избыточная поверхностная энергия, то основными факторами, обеспечивающими устойчивость дисперсных систем (при сохранении площади поверхности), будут те, которые снижают поверхностное натяжение. Эти факторы относят к термодинамическим. Они уменьшают вероятность эффективных соударений между частицами, создают потенциальные барьеры, замедляющие или даже исключающие процесс коагуляции. Чем меньше поверхностное натяжение, тем ближе система к термодинамически устойчивой.

Скорость коагуляции, кроме того, зависит и от кинетических факторов.

Кинетические факторы, снижающие скорость коагуляции, связаны в основном с гидродинамическими свойствами среды: с замедлением сближения частиц, вытекания и разрушения прослоек среды между ними.

Различают следующие термодинамические и кинетические факторы устойчивости дисперсных систем:

1.Электростатический фактор заключается в уменьшении межфазного натяжения вследствие формирования двойного электрического слоя на поверхности частиц, а также в кулоновском отталкивании, возникающем при их сближении.

Двойной электрический слой (ДЭС) образуется при адсорбции ионогенных (диссоциирующих на ионы) ПАВ. Адсорбция ионогенного ПАВ может происходить на границе двух несмешивающихся жидкостей, например воды и бензола. Полярная группа молекулы ПАВ, обращенная к воде, диссоциирует, сообщая поверхности бензольной фазы заряд, соответствующий органической части молекул ПАВ (потенциалопределяющих ионов). Противоионы (неорганические ионы) формируют двойной слой со стороны водной фазы, так как сильнее с ней взаимодействуют.

Существуют и другие механизмы образования двойного электрического слоя. Например, ДЭС образуется на межфазной поверхности между водой и малорастворимым иодидом серебра. Если в воду добавить хорошо растворимый нитрат серебра, то образующиеся в результате диссоциации ионы серебра могут достраивать кристаллическую решетку AgI, т. к. они входят в её состав (специфическая адсорбция ионов серебра). Вследствие этого поверхность соли заряжается положительно (избыток катионов серебра), а йодид-ионы будут выступать в качестве противоионов.

Следует также упомянуть о возможности образования двойного электрического слоя в результате перехода ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация).

ДЭС, образующийся в результате описанных выше процессов пространственного разделения зарядов, имеет размытый (диффузный) характер, что обусловлено одновременным влиянием на его строение электростатического (кулоновского) и ван-дер-ваальсовского взаимодействия, а также теплового движения ионов и молекул.

Так называемые электрокинетические явления (электрофорез, электроосмос и др.) обусловлены наличием двойного электрического слоя на границе раздела фаз.

2. Адсорбционно-сольватный фактор состоит в уменьшении межфазного

натяжения при введении поверхностно-активных веществ (благодаря адсорбции и сольватации).

3. Энтропийный фактор, как и первые два, относится к термодинамическим. Он дополняет первые два фактора и действует в системах, в которых частицы участвуют в тепловом движении. Энтропийное отталкивание частиц можно представить как наличие постоянной диффузии частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, т. е. система постоянно стремится к выравниванию по всему объёму концентрации дисперсной фазы.

4. Структурно-механический фактор является кинетическим. Его действие обусловлено тем, что на поверхности частиц могут образовываться плёнки, обладающие упругостью и механической прочностью, разрушение которых требует затрат энергии и времени.

5. Гидродинамический фактор снижает скорость коагуляции благодаря изменению вязкости и плотности дисперсионной среды в тонких прослойках жидкости между частицами дисперсной фазы.

Обычно агрегативная устойчивость обеспечивается несколькими факторами одновременно. Особенно высокая устойчивость наблюдается при совместном действии термодинамических и кинетических факторов.

Структурно-механический барьер, рассмотренный впервые П.А.Ребиндером, – это сильный фактор стабилизации, связанный с образованием на границах раздела фаз адсорбционных слоёв, лиофилизующих поверхность. Структура и механические свойства таких слоёв способны обеспечить весьма высокую устойчивость прослоек дисперсионной среды между частицами дисперсной фазы.

Структурно-механический барьер возникает при адсорбции молекул ПАВ, которые способны к образованию гелеобразного структурированного слоя на межфазной границе, хотя, возможно, и не обладают высокой поверхностной активностью по отношению к данной границе раздела фаз. К таким веществам относятся смолы, производные целлюлозы, белки и другие так называемые защитные коллоиды, являющиеся высокомолекулярными веществами.

§9. Стабилизация и разрушение эмульсий

Рассмотрим особенности стабилизации и разрушения дисперсных систем на примере эмульсий.

Дисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называются эмульсиями.

Их специфической чертой является возможность образования эмульсий двух типов: прямой , в которой дисперсионной средой является более полярная жидкость (обычно вода) и обратной , в которой более полярная жидкость образует дисперсную фазу.

При определенных условиях наблюдается обращение фаз эмульсий , когда эмульсия данного типа при введении каких-либо реагентов или при изменении условий превращается в эмульсию противоположного типа.

Важнейший представитель эмульсий – водонефтяная эмульсия, очень сильно стабилизированная природными ПАВ и смолами. Разрушение таких систем является первой и достаточно трудной стадией подготовки и переработки нефти.

Агрегативная устойчивость эмульсий может обусловливаться многими факторами устойчивости.

Их образование возможно путем самопроизвольного диспергирования при определенных условиях, когда межфазное натяжение настолько мало (менее 10 2 10 1 мДж/м 2 ), что оно полностью компенсируется энтропийным фактором. Это оказывается возможным при температурах, близких к так называемой критической температуре смешения. Кроме того, свойством снижать межфазное натяжение до сверхнизких значений обладают коллоидные ПАВ и растворы ВМС, что позволяет получать термодинамически устойчивые (самопроизвольно образующиеся) эмульсии и при обычных условиях.

В термодинамически устойчивых и самопроизвольно образующихся (лиофильных) эмульсиях частицы имеют очень высокую дисперсность.

Большинство же эмульсий являются микрогетерогенными, термодинамическими неустойчивыми (лиофобными) системами. При длительном хранении в них происходит слипание (коагуляция), а затем и слияние капель (коалесценция).

Агрегативная устойчивость эмульсий количественно характеризуется скоростью их расслоения. Её определяют, измеряя высоту (объём) отслоившейся фазы через определенные промежутки времени после получения эмульсии. Без эмульгатора устойчивость эмульсий обычно небольшая. Известны методы стабилизации эмульсий с помощью ПАВ, ВМС, порошков. Стабилизация эмульсий с помощью ПАВ обеспечи­вается вследствие адсорбции и определенной ориентации молекул ПАВ, что вызывает снижение поверхностного натяжения.

Ориентирование ПАВ в эмульсиях следует правилу уравнивания полярностей Ребиндера: полярные группы ПАВ обращены к полярной фазе, а неполярные радикалы – к неполярной фазе. В зависимости от типа ПАВ (ионогенные, неионогенные) капельки эмульсии приобретают соответствующий заряд или на их поверхности возникают адсорбционно-сольватные слои.

Если ПАВ лучше растворяется в воде, чем в масле (масло – общее название неполярной фазы в эмульсиях), образуется прямая эмульсия м/в, если растворимость его лучше в масле, то получается обратная эмульсия в/м (правило Банкрофта). Замена эмульгатора может привести к обращению эмульсии. Так, если к эмульсии м/в, стабилизированной натриевым мылом, добавить раствор хлорида кальция, то эмульгатор переходит в кальциевую форму и эмульсия обращается, т. е. масляная фаза становится дисперсионной средой. Это объясняется тем, что кальциевое мыло значительно лучше растворимо в масле, чем в воде.

Стабилизация обратных эмульсий с помощью ПАВ не ограничивается факторами, обусловленными уменьшением поверхностного натяжения. ПАВ, особенно с длинными радикалами, на поверхности капелек эмульсии могут образовать плёнки значительной вязкости (структурно-механический фактор), а также обеспечить энтропийное оттал­кивание. Структурно-механический и энтропийный факторы особенно существенны, если для стабилизации применяют поверхностно-активные высокомолекулярные соединения. Структурно-механический фактор – образование структурированной и предельно сольватированной дисперсионной средой адсорбционной плёнки имеет большое значение для стабилизации концентрированных и высококонцентрированных эмульсий. Тонкие структурированные прослойки между каплями высококонцентрированной эмульсии придают системе ярко выраженные твердообразные свойства.

Стабилизация эмульсий возможна и с помощью высокодисперсных порошков. Механизм их действия аналогичен механизму действия ПАВ. Порошки с достаточно гидрофильной поверхностью (глина, кремнезем и др.) стабилизируют прямые эмульсии. Гидрофобные порошки (сажа, гидрофобизированный аэросил и др.) способны к стабилизации обратных эмульсий. Частицы порошка на поверхности капель эмульсий располагаются так, что большая часть их поверхности находится в дисперсионной среде. Для обеспечения устойчивости эмульсии необходимо плотное покрытие порошком поверхности капли. Если степень смачивания частиц порошка-стабилизатора средой и дисперсной фазой сильно различается, то весь порошок будет находиться в объёме фазы, которая его хорошо смачивает, и стабилизирующего действия он очевидно оказывать не будет.

Разрушить прямую эмульсию, стабилизированную ионогенными эмульгаторами, можно добавлением электролитов с поливалентными ионами. Такие электролиты вызывают не только сжатие двойного электрического слоя, но и переводят эмульгатор в малорастворимую в воде форму. Эмульгатор можно нейтрализовать другим эмульга­тором, способствующим образованию эмульсий обратного типа. Можно добавить вещество более поверхностно-активное, чем эмульгатор, которое само не образует прочных плёнок (так называемый деэмульгатор ). Например, спирты (пентиловый и другие) вытесняют эмульгаторы, растворяют их пленки и способствуют коалесценции капель эмульсии. Эмульсию можно разрушить повышением темпеpaтypы, помещением её в электрическое поле, отстаиванием, центрифугированием, фильтрованием через пористые материалы, которые смачиваются дисперсионной средой, но не смачиваются веществом дисперсной фазы, и другими способами.

ГЛАВА XIV. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

§1. Основные понятия и идеальные законы реологии

Важнейшие механические свойства – вязкость, упругость, пластичность, прочность. Так как эти свойства непосредственно связаны со структурой тел, то их обычно называют структурно-механическими.

Структурно-механические свойства систем исследуют методами реологии – науки о деформациях и течении материальных систем. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений. В коллоидной химии методы реологии используют для исследования структуры и описания вязкотекучих свойств дисперсных систем.

Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается её сплошность . Деформацию делят на упругую и остаточную. При упругой деформации структура тела полностью восстанавливается после снятия нагрузки (напряжения); остаточная деформация необратима, изменения в системе остаются и после снятия нагрузки. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.

Среди упругих деформаций различают объемные (растяжение, сжатие), сдвиговые и деформации кручения. Они характеризуются количественно относительными (безразмерными) величинами. Например, при одномерном деформировании растяжение выражается через относительное удлинение:

где l 0 и l – длина тела до и после растяжения соответственно; Δl – абсолютное удлинение.

Деформация сдвига определяется абсолютным сдвигом (абсолютной деформацией) y и относительным сдвигом (рис.34) под действием напряжения Р:

(XIV.1)

где у – смещение верхнего слоя (абсолютная деформация); х – высота, на протяжении которой происходит смещение, – угол сдвига. .

Как следует из рис.34, относительный сдвиг равен тангенсу угла сдвига , который, в свою очередь, примерно равен самому углу , если он мал и величина этого угла выражена в радианах.

Рис.34. Схематическое изображение деформации сдвига

Жидкости и газы деформируются при наложении минимальных нагрузок, под действием разности давлений они текут. Течение является одним из видов деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов, жидкости при течении не сжимаются и их плотность остается практически постоянной.

Напряжение (Р ), вызывающее деформацию тела, определяется отношением силы к площади, на которую она действует . Действующая сила может быть разложена на две составляющие: нормальную, направленную перпендикулярно к поверхности тела, и тангенциальную (касательную), направленную по касательной к этой поверхности. Соответственно различают два вида напряжений: нормальные и тангенциальные, которым отвечают два основных вида деформации: растяжение (или сжатие) и сдвиг. Остальные виды деформации можно представить с помощью различных комбинаций этих основных видов деформаций. Единицей напряжения в системе СИ является паскаль (Па ).

Любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами. Основными из них, как уже упоминалось, являются упругость, пластичность, вязкость и прочность. Все эти свойства проявляются при сдвиговой деформации, которая поэтому считается наиболее важной в реологических исследованиях.

Таким образом, характер и величина деформации зависят от свойств материала тела, его формы и способа приложения внешних сил.

В реологии механические свойства материалов представляют в виде реологических моделей, в основе которых лежат три основных идеальных закона, связывающих напряжение с деформацией. Им соответствуют три элементарные модели (элемента) идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, пластичность, вязкость): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона (ньютоновская жидкость) и идеально пластическое тело Сен-Венана – Кулона.

Идеально упругое тело Гука представляют в виде спиральной пружины (рис.35). В соответствии с законом Гука деформация в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига Р:

или
(XIV.2)

где G – коэффициент пропорциональности, или модуль сдвига.

Модуль сдвига G является характеристикой материала (его структуры), количественно отражающей его упругие свойства (жёсткость). Из уравнения (XIV.2) следует, что единицей модуля сдвига является паскаль (СИ), т. е. та же, что и для напряжения, так как величина γ безразмерна. Модуль сдвига можно определить по котангенсу угла наклона прямой, характеризующей зависимость деформации γ от напряжения сдвига Р (см. рис.35, б). Модуль упругости составляет для молекулярных кристаллов ~ 10 9 Па , для ковалентных кристаллов и металлов – 10 11 Па и более. После снятия нагрузки идеально упругое тело Гука мгновенно переходит в первоначальное состояние (форму).

Рис.35. Модель идеального упругого тела Гука (а) и зависимость деформации этого тела от напряжения сдвига(б)

Идеально вязкое тело Ньютона изображают в виде поршня с отверстиями, помещённого в цилиндр с жидкостью (рис.36). Идеально вязкая жидкость течёт в соответствии с законом Ньютона . Согласно этому закону напряжение сдвига при ламинарном течении жидкости пропорционально градиенту скорости абсолютного сдвига (абсолютной деформации) dU / dx :

(XIV.3),

где η – коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (динамическая вязкость также иногда обозначается буквенным символом  ).

При плоскопараллельном (ламинарном) движении двух слоёв жидкости происходит сдвиг одного слоя относительно другого. Если скорость абсолютного сдвига слоёв жидкости обозначить через U = dy / d t и учесть, что координата х и время t являются независимыми переменными, то с помощью изменения порядка дифференцирования с учётом (XIV.1) можно получить следующее соотношение:

(XIV.4)

где
– скорость относительной деформации сдвига.

Таким образом, закон Ньютона также можно сформулировать следующим образом: напряжение сдвига пропорционально скорости относительной деформации:

(XIV.5)

Реологические свойства идеальных жидкостей однозначно характеризуются вязкостью. Её определение дается уравнениями (XIV.3) и (XIV.5). График зависимости P – представляет собой прямую, выходящую из начала координат, котангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс определяет вязкость жидкости. Величина, обратная вязкости, называется текучестью. Если вязкость характеризует сопротивление жидкости движению, то текучесть – её подвижность.

Рис.36. Модель идеально вязкой жидкости Ньютона (а) и зависимость скорости деформации этой жидкости от напряжения сдвига (б)

Единицы вязкости следуют из уравнения (XIV.5). Так как в международной системе единиц напряжение измеряется в паскалях, а скорость относительной деформации в с -1 , то единицей вязкости будет паскаль-секунда (Па·с ). В системе СГС за единицу вязкости принят пуаз (П ) (1 Па·с = 10 П ). Вязкость воды при 20,5°С равна 0,001 Па·с или 0,01 П , т. е. 1 сантипуазу (сП ). Вязкость газов примерно в 50 раз меньше, у высоковязких жидкостей значения вязкости могут быть в тысячи и миллионы раз больше, а у твёрдых тел она может составлять 10 15 -10 20 Па·с и более. Размерность текучести обратна размерности вязкости, следовательно, единицы вязкости обратны единицам текучести. Например, в системе СГС текучесть измеряется в пуазах в минус первой степени (П -1 ).

Моделью идеально пластического тела Сен-Венана – Кулона является находящееся на плоскости твёрдое тело, при движении которого трение постоянно и не зависит от нормальной (перпендикулярной поверхности) силы (рис.37). В основе этой модели лежит закон внешнего (сухого) трения, в соответствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины Р * , называемой пределом текучести, т. е. при

P P *

Если напряжение достигнет предела текучести, то развиваемая деформация идеально пластического тела не имеет предела, и течение происходит с любой скоростью, т. е. при

P = P * >0 >0

Эта зависимость показана на рис.37, б. Из нее следует, что к элементу сухого трения (идеально пластическому телу) не может быть приложено напряжение, превышающее P* . Величина P* отражает прочность структуры тела. При условии Р = P* структура идеального пластического тела разрушается, после чего сопротивление напряжению полностью отсутствует.

Сравнение идеальных элементов (реологических моделей) показывает, что энергия, затраченная на деформацию упругого тела Гука, возвращается при разгрузке (после прекращения действия напряжения), а при деформации вязкого и пластического тел энергия превращается в теплоту. В соответствии с этим тело Гука принадлежит к консервативным системам, а другие два – к диссипативным (теряющим энергию).

Основываясь на открытиях Плато, советским ученым, академиком П. А. Ре - биндером, совместно с учениками была предложена и детально исследована структурно-механическая теория устойчивости пен. Согласно этой теории, устойчивость адсорбционных слоев (в том числе и в пенах) определяется как поверхностными силами, так и механическими свойствами пенных пленок. Если каким-либо способом улучшить эти свойства, то увеличится (порой мно­гократно) и устойчивость пены.

Именно обеспечение структурно-механического фактора устойчивости способно придать наибольшую устойчивость пене. Например, все белковые пенообразователи, из-за особого трехмерного строения белковых ПАВ, образу­ют подвижные, но очень прочные адсорбционные слои, формирующие пенные пленки. Благодаря высокой устойчивости пены она способна выдерживать зна­чительные механические воздействия извне - скажем, при перемешивании с цементным раствором. На этом факте основан традиционный метод производ­ства пенобетона: заранее приготовленная в специальном пеногенераторе пена смешивается с цементно-песчаным раствором в низкоскоростном смесителе.

Переход от рассмотрения двухкомпонентных (растворитель+ПАВ) соста­вов к реальным многокомпонентным (пеноцементная смесь) позволяет, при­нимая во внимание структурно-механические факторы, объяснить и феномен чрезвычайно высокой устойчивости некоторых видов пен, в частности, приго­товленных из смеси смоляных и жирных кислот (пенообразователь СДО).

Этот пенообразователь состоит из смеси омыленных смоляных и жирных кислот. Введение в его состав стабилизатора - извести, инициирует обменно - замещающие реакции по кальцию. Смоляные мыла превращаются в кальци­евые, у которых поверхностная активность выше. Как и натриевые на основе жирных кислот, при этом они теряют способность растворяться в воде.

В результате этих процессов формируется объемная, прочная и высоковяз­кая структура пенных пленок, существенно отличающаяся от остальной массы раствора. Кроме того, мельчайшие частички гидроокиси кальция и синтезиру­ющиеся в момент пеногенерации кальциевые мыла жирных кислот бронируют поверхность пенных пузырьков и закупоривают каналы Плато. Все вместе по­зволяет получить настолько стабильную низкократную пену, что она способна выдержать даже «встречу» с сухими заполнителями - цементом и песком (эта разновидность технологического регламента производства пенобетона называ­ется методом сухой минерализации).

С позиций структурно-механического фактора устойчивости становится возможным объяснить и тот факт, что некоторые пенообразователи, в част­ности, на основе сапонинов, обеспечивают на порядок большую стабильность получаемой из них пены, если применяются не свежеприготовленные, а выдер­жанные растворы. В результате гидролиза в процессе хранения в растворе пе­нообразователя самопроизвольно накапливаются более активные компоненты, способные к образованию высоковязких адсорбционных слоев пространствен­ной структуры.

Пеноблок – один из часто используемых в строительстве домов материал. Он обладает многими преимуществами: небольшой вес, удобные для работы габариты и невысокая стоимость. В то же время строениям из пеноблоков …

Состав зависит от места применения пеноблоков, учитывающий климатические условия местности. Основные элементы в составе (которые должны соответствовать ГОСТу), - цемент, песок, вода и пенообразующие добавки. В погоне за выгодой могут …

Пеноблоки сегодня – это очень популярные стройматериалы для возведения современных сооружений и зданий. Они производятся из цементной смеси, в которую добавляется песок с пенообразователем и водой. В отдельных вариантах в …