ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы СПЕЦИФИКА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ПО СРАВНЕНИЮ С РАЗБАВЛЕННЫМИ КОЛЛОИДАМИ И ГРУБОДИСПЕРСНЫМИ СИСТЕМАМИ из "Высококонцентрированные дисперсные системы" Анализ аналогий и различий разбавленных коллоидов и высококонцентрированных дисперсных систем необходим для понимания свойств последних. Этому не только способствует наличие общих физико-химических признаков у сравниваемых систем, и прежде всего, сильно развитой межфазной поверхности, но и достаточно детальная разработанность (качественная и количественная) основных проблем коллоидной химии разбавленных коллоидов и особенно таких важнейших проблем, как проблема устойчивости коллоидов, учение о лиофильности и др. [c.40] Основные характеристики — агрегативная и кинетическая устойчивость — по существу определяются достижением и поддержанием во времени концентрационной однородности (равновероятности) распределения дисперсных фаз в объеме дисперсионной среды. Но если в разбавленных коллоидах эта концентрационная однородность распределения стабилизованных дисперсных фаз устанавливается самопроизвольно, в результате их участия в тепловом броуновском движении, то в высококонцентрированных структурированных дисперсных системах необходимое для достижения такой однородности активное перемещение частиц под действием броуновского движения, как отмечалось выше, исключается из-за их прочной фиксации в пространственной структурной сетке. [c.41] Энергия теплового движения может быть увеличена за счет повышения температуры дисперсной системы. Однако в дисперсных системах, в которых дисперсионной средой является вода, повышение температуры при нормальном давлении не может превышать 100°С. В дисперсиях с неполярной дисперсионной средой возможность повышения температуры также ограничена из-за опасности термодеструкции. Однако даже повышение температуры от 20 до 100 °С увеличивает энергию теплового движения всего в 1,3 раза, что явно недостаточно для эффективного разрушения структуры. [c.42] Если же высококонцентрированная дисперсная система включает частицы, размер которых превышает 10 -ь10 м, то возможность разрушения за счет броуновского движения связей, образованных такими частицами, исключается полностью, так как они не могут участвовать в тепловом движении. [c.42] Образование пространственной структурной сетки, ее резкое упрочнение по мере роста концентрации и дисперсности твердой фазы и невозмол ность эффективного разрушения связей за счет теплового движения становятся главными препятствиями на пути физико-химического управления структурно-реологическими свойствами высококонцентрированных дисперсных систем и достижения их однородности. [c.42] Для устранения этих существенных препятствий необходимо создать в структурированной дисперсной системе с помощью внешних механических воздействий на нее такое динамическое состояние, при котором все обратимые по прочности контакты между частицами дисперсных фаз разрушены и реализуется наибольшая текучесть при наименьшем уровне эффективной вязкости (наименьшей вязкости предельно разрушенной структуры). [c.42] Вместе с тем имеется известная аналогия процесса предельного разрушения коагуляционной структуры в концентрированных системах с помощью внешних воздействий и процесса самопроизвольного диспергирования [19, 72] (пептизации) агрегатов, в которых дисперсные фазы связаны слабыми коагуляционными контактами (Я = Яг) [21, 28, 56]. Такие контакты в присутствии адсорбционно-активной среды настолько ослабляются, что самопроизвольно разрушаются под действием теплового движения. В результате образуются лиофильные термодинамически устойчивые двухфазные дисперсные системы [2, 73]. Причем такие термодинамически устойчивые системы образуются либо в результате коллоидного растворения (пептизация), либо в результате выделения дисперсной фазы из пересыщенных истинных растворов (например, образование мицеллярных растворов ПАВ при концентрации выше критической концентрации мицеллообразования— ККМ) [24, 25, 74]. [c.43] Однако в концентрированных и высококонцентрированных системах )При условии фиксации частиц в положении ближней энергетической потенциальной ямы (N = N1) энергия теплового движения оказывается недостаточной для преодоления энергетического барьера [12]. Если же при этом дисперсные системы содержат частицы размером б 10 м и они не могут участвовать в тепловом движении, то вклад энергии броуновского движения становится бесконечно малым по сравнению с возрастающим по мере роста 6 вкладом энергии, сообщаемой частице внешними механическими воздействиями. И тогда определяющим фактором разрушения структуры становится сочетание суммарного значения кинетической энергии (с учетом стоксова сопротивления движению частицы в дисперсионной среде) и энергии сил отталкивания (включающий вклад расклинивающего давления адсорбционных слоев), возрастающей по мере уменьшения Я. Дополнительным факторохм в разрушении (или, наоборот, в упрочнении) может быть воздействие ионизирующей радиации, магнитных, электрических полей (особенно в случае, если частицы дисперсной фазы реагируют на эти воздействия [75]). [c.44] Вместе с тем при воздействии этих силовых полей [21] двойной электрический слой между частицами отклоняется от положения равновесия, причем возникающее электрическое поле может увеличить радиус своего действия на несколько порядков по сравнению с радиусом действия недеформировагаого поля [76, 77], что, в свою очередь, сказывается на величине уР Уг- Если дисперсная система включает достаточно крупные частицы (63 10 м), разрушение связей облегчается также и за счет действия силы тяжести. [c.44] Величина I,Q мол ет складываться с отрицательным знаком, например, если в результате воздействия силовых полей величина уРлУх уменьшится в большей степени, чем увеличится вклад воздействия этих полей в величину ти 12. [c.45] Следовательно, величина Ш пропорциональна поверхностному натяжению на межфазной границе а 2, площади элементарного контакта Л5 и обратно пропорциональна кубу характерного размера частицы, возрастает с ростом концентрации дисперсной фа-фы (р и координационного числа 2. Так как концентрация р и дисперсность 5 частиц обычно задаются, а 2 и определяются, в свою очередь, соответственно концентрацией частиц и их размером, то решающий фактор, который может изменяться для физико-химического управления величиной Аи, — межфазное поверхностное натяжение о 2. [c.45] Следовательно, при прочих равных условиях основной вклад в изменение Ai/ может быть сделан в результате изменения природы поверхности при адсорбции на ней добавок ПАВ различного химического состава и строения. Наиболее перспективны в этом случае такие виды ПАВ, которые в наибольшей степени понижают поверхностное натяжение на межфазных границах. К их числу относятся, например, фторсодерл ащие ПАВ, понижающие поверхностное натяжение воды от 72,75-10 Н/м до 12,5-10 Н/м [25, 26]. [c.46] Снижению величины соответствует и снижение энергии (мощности) внешних, преимущественно механических воздействий, необходимых для предельного разрушения связей между частицами. [c.46] Таким образом, если в разбавленных коллоидно-дисперсных системах их основные свойства — агрегативная и седиментационная устойчивость — зависят от соотношения взаимодействия частиц дисперсной фазы и участия частиц в тепловом (броуновском) движении, то в высококонцентрированных микрогетерогенных системах с твердыми фазами наряду с этими факторами преимущественное значение приобретает конкуренция между сцеплением частиц и интенсивностью внешних механических воздействий на дисперсную систему. [c.46] Отсюда следует, что управление структурообразованием в таких системах долл но предусматривать сочетание механических воздействий и существенного ослабления прочности сцепления в контактах между частицами. Такое ослабление прочности может достигаться в результате физико-химического управления свойствами поверхности дисперсных фаз преимущественно при введении Б систему адсорбирующихся на этой поверхности добавок поверхностно-активных веществ различной химической природы и строения. [c.46] В более широком плане речь идет о комплексном воздействии на концентрированные дисперсные системы, предусматривающем сочетание механических воздействий с разнообразными физическими и физико-химическими методами управления уровнем энергии и силы взаимодействия частиц дисперсных фаз в контактах между собой. Имеется в виду химическое модифицирование поверхности частиц в первую очередь с помощью ПАВ [78, 79], изменение электрокинетического потенциала, в частности с помощью электролитов [80], и, вместе с тем, применение таких физических методов, как воздействие ионизирующей радиации, электрических и магнитных полей [81—85], воздействия ультразвука [86—88] к СВЧ, давления и температуры [18]. [c.46] В самом деле, кал дый из этих методов в отдельности или в сочетании позволяет существенным образом изменять устойчивость и другие свойства дисперсных систем. Действие этих факторов сопровождается коагуляцией или, наоборот, стабилизацией дисперсий. Во всех этих случаях имеет место изменение энергии связи или силы сцепления между частицами в результате изменения величины избыточной энергии Гиббса. [c.47] Когда речь идет о разбавленных коллоидах, изменение энергии связи и силы сцепления между частицами — необходимое и достаточное условие управления их свойствами и, прежде всего, агрегативной и кинетической устойчивостью, проявляющихся на фоне теплового броуновского движения частиц дисперсных фаз в поле действия силы тяжести. Однако при переходе к высококонцентрированным, структурированным системам изменение силы сцепления в контактах с помощью физико-химических воздействий (применяемых в отдельности или в сочетании), как уже отмечалось выше, необходимое, но уже недостаточное условие для управления главными для таких систем структурно-реологическими свойствами. [c.47] В самом деле, основные параметры, характеризующие свойства таких систем, — вязкость, прочность, упругость, времена релаксации—могут изменяться на много десятичных порядков только под действием механических факторов в результате изменения напряжения сдвига, скорости деформации, скорости изменения объема структуры. [c.47] В принципе, как будет показано ниже, с помощью одних только механических воздействий можно изменить структурно-реоло-гические свойства таких систем во всем возможном диапазоне их изменения (например, от наибольшего уровня вязкости практически неразрушенной структуры до наименьшего уровня вязкости предельно разрушенной структуры), чего нельзя сделать с помощью совокупности указанных выше химических и физико-химических методов в отсутствие механических воздействий. [c.47] Вернуться к основной статье