ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТИПЫ СТРУКТУР В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА из "Высококонцентрированные дисперсные системы" Концентрационный фактор — один из важных факторов, определяющих основные свойства высокодисперсных систем. Особенность концентрационной зависимости свойств дисперсных систем, т. е. зависимости свойств от концентрации дисперсной фазы в жидкой или газовой дисперсионной среде, состоит в том, что по мере увеличения концентрации дисперсной фазы имеет место не только плавное изменение свойств, но при определенных для каждой системы специфичных значениях концентрации эти свойства меняются качественно и ход концентрационной зависимости свойств при превышении критической концентрации и по мере ее дальнейшего увеличения резко изменяется. [c.14] Наряду с этими основными типами структур имеется множество различных двух- и трехфазных структур промежуточного типа. К их числу относятся, в частности, так называемые осевдокоа-гуляционные структуры, образуемые из структур с точечными атомными контактами, если их поместить в среду, насыщенную парами жидкой фазы. В этом случае пары жидкой фазы (например, воды из воздуха) конденсируются вблизи контактов, и в результате двухмерной миграции жидкой фазы образуется коагуляционный контакт. Вместе с тем в процессах структурообразования возможно возникновение и других структур смешанного типа, например, коагуляционно-кристаллизационных или конденсационных, образуемых коагуляционными и истинными фазовыми контактами между частицами твердой фазы в системах на минеральной или полимерной основе, т. е. структур дисперсных материалов. [c.15] Коагуляционные структуры характеризуются сравнительно слабыми по силе взаимодействия контактами между частицами. Прочность этих контактов определяется ван-дер-ваальсовыми молекулярными силами сцепления по лиофобным участкам макро-мозаичной поверхности частиц через тончайшие прослойки дисперсионной среды, фиксированная толщина которых соответствует минимальному значению поверхностной энергии Гиббса [5]. По данным теоретических расчетов и экспериментальных исследований сила взаимодействия частиц дисперсной фазы в коагуляционных структурах составляет в среднем 10 Н на контакт [16-18]. [c.16] Однако истинная прочность контакта в значительной степени зависит от условий его образования, определяющих фиксированную равновесную толщину прослойки жидкой фазы между частицами. В процессе сближения частиц в поле действия ван-дер-ва-лльсовых сил, они преодолевают энергетический барьер в структурированной жидкости [19—21] или электростатические силы отталкивания, возникающие вследствие образования двойных адсорбционных слоев [22, 23]. [c.16] Обязательное условие образования истинно-коагуляционных структур — наличие во всей совокупности частиц твердой фазы частиц коллоидных размеров (10 Ч-107 м) [9, 10], способных совершать броуновское движение [П]. [c.17] В реальных системах обычно содержатся фракции анизомет-ричных частиц, средний размер которых может быть как больше, так и меньше указанного размера. Однако при наличии в системе даже небольшой доли частиц размером б Сбс необходимо учитывать контактные взаимодействия между ними. Причем эта доля высокодисперсных частиц коллоидных размеров может составлять от общего числа частиц твердой фазы всего несколько процентов. Распределяясь в общем объеме дисперсии, они образуют в совокупности с более крупными частицами пространственный трехмерный каркас, состоящий из цепочек или агрегатов из частиц. Вероятность и скорость образования структур, тем больше, чем выше их дисперсность и, следовательно, способность участвовать в тепловом броуновском движении, и чем сильнее выражена аниэометричность или лиофобно-лиофильная мозаичность поверхности [27]. [c.17] По мере повышения концентрации дисперсной фазы структурная вязкость Г) и прочность Рт дисперсной системы возрастают как вследствие увеличения числа контактов между частицами в единице объема, так и в результате повышения вероятности фиксации частиц в положении ближнего потенциального минимума (ближняя коагуляция в дисперсиях с жидкой маловязкой средой) с соответствующим ростом прочности контактов. Соответственно возрастает структурная устойчивость дисперсных систем к внешним механическим воздействиям, вместе с тем скорость тиксотропного восстановления разрушенной структуры увеличивается. Седиментационная устойчивость дисперсной системы обеспечивается фиксацией частиц в структурной сетке, но при разрушении структуры такая система теряет кинетическую устойчивость. [c.18] Фиксация частиц твердой фазы в жидкой дисперсионной среде на расстояниях ближней или дальнейшей коагуляции тиксотроп-ная обратимость вследствие наличия частиц, способных совершать броуновское движение проявление быстрой и замедленной упругости, ползучести и течение с большой вязкостью, — все эти особенности отличают коагуляционные структуры от всех других типов дисперсных структур. Вместе с тем коагуляционные структуры отличаются резко выраженной зависимостью структурно-механических характеристик от воздействия физико-химических и механических факторов. Примером исключительной чувствительности структурно-механических свойств двухфазных тиксотропных коагуляционных структур к механическим воздействиям является зависимость равновесной эффективной вязкости ц Р) при непрерывном сдвиговом деформировании системы от скорости деформации е — йе1сИ или напряжения сдвига Р. Уровень ц Р) отвечает вполне определенной степени разрушения трехмерного структурного каркаса в условиях деформации системы с заданной скоростью сдвига Ер. [c.18] В тиксотропных коагуляционных двухфазных структурах диапазон изменения ц Р) (г, Р) может достигать 9—И десятичных порядков [7, 30—32]. Однако полная тиксотропная обратимость сохраняется в коагуляционных структурах лишь до определенного в каждом конкретном случае сочетания значений объемного содержания ф и дисперсности частиц твердой фазы 5 в жидкой дисперсионной среде. При увеличении ф и 5 выше этих значений вначале исчезает способность к тиксотропному восстановлению во всем объеме деформируемой системы, а по мере последующего относительного снижения содержания жидкой среды в дисперсной системе она теряет высокоэластические, а затем и пластические свойства [5]. [c.18] Вначале, при сохранении между частицами нескольких адсорбционных монослоев Н, а при максимально высокой плотности структуры и полном удалении дисперсионной среды с переходом к структурам с непосредственными атомными контактами Рс повышается до н. Для высококонцентрированных дисперсных систем понятие кинетической (седиментационной) устойчивости теряет смысл не только потому, что прочность структур, фиксирующих положение дисперсных фаз велика, но также и потому, что их высокая концентрация практически исключает возможность седиментации даже при разрушении структуры. [c.19] Рассмотрение в самом общем виде особенностей дисперсных систем с контактами коагуляционного типа показывает, что изменение их основных структурных параметров дисперсности и объемного содержания дисперсной фазы в жидкой дисперсионной среде, введение добавок поверхностно-активных веществ — позволяет в исключительно сильной степени (в пределе более чем на десять порядков) изменять структурно-механические свойства коагуляционных структур. Причем эти изменения сопровождаются появлением или исчезновением характерных только для коагуляционных структур особенностей текучести при отсутствии предела прочности (жидкообразные структуры) или при его наличии (твердообразные структуры) [34], проявлением тиксотропной обратимости свойств или полным их отсутствием, наличием или отсутствием пластичности и эластичности. [c.19] Во всех рассмотренных случаях концентрационной зависимости свойств речь шла о двухфазных дисперсных системах типа дисперсная фаза —жидкая дисперсионная среда (Т—Ж). Последую-ш,ее увеличение концентрации дисперсной фазы сопровождается утоньшением прослоек жидкой среды, далее образованием капиллярных менисков и появлением наряду с жидкой газовой (воздушной) среды и затем исчезновением менисков [5]. [c.20] На лиофильной поверхности частиц дисперсной твердой фазы могут оставаться адсорбционные слои дисперсионной среды (например, 1—5 мономолекулярных слоев воды [35]). [c.20] При полном удалении дисперсионной среды возникает двухфазная дисперсная структура типа твердая фаза — газовая длс-персиопная среда (Т—Г). Свойства такой структуры определяются прочностью непосредственных атомных [5] контактов между частицами и их числом в единице объема. [c.20] Структурно-реологические свойства двухфазных систем типа Т—Г по мере роста концентрации твердой фазы в газовой среде также претерпевают качественные изменения от разбавленных бесструктурных коллоидных дисперсий — аэрозолей [36] до плотно упакованных и прочных структур — порошков [14, 37, 38]. Между концентрированными коагуляционными структурами и структурами (типа Т—Г), образующимися при удалении жидкой дисперсионной среды, существует ряд трехфазных структур промежуточного типа (Т—Ж—Г). Этот переход (рис. 3) по П. А. Ребиндеру [5] сопровождается существенными изменениями реологических характеристик дисперсных систем. В основе этих изменений лежит изменение природы контактов между частицами дисперсных фаз. [c.20] Особый интерес представляют структуры, создаваемые высокодисперсными частицами твердой фазы в газовой среде, т. е. структуры тонкодисперсных порошков. Такие структуры образуют пространственный каркас арочного типа, прочность которого определяется дисперсностью частиц твердой фазы и их концентрацией, т. е. в конечном счете числом работающих контактов з единице объема [16, 39]. [c.20] Такого рода структуры могут необратимо изменять занимаемый объем с соответствующим изменением прочности в широких пределах. Несмотря на значительный теоретический интерес и большое прикладное значение поведение такого рода структур под действием внешних сил изучено недостаточно. Прочностные свойства таких, как правило, пористых структур хорошо описываются в теории прочности пористых тел [17, 39, 40]. [c.20] Разработка методов определения и количественной теории прочности дисперсных структур — одна из важных проблем в физико-химии дисперсных систем. Объясняется это спецификой законов разрушения дисперсных структур, отличающихся, как правило, относительно высокой (по сравнению с массивными твердыми телами) пористостью. [c.20] Зависимость прочности дисперсной структуры от объемного содержания жидкой дисперсионной среды [5]. [c.21] Вернуться к основной статье