Следующая страницаСодержаниеПредыдущая страница

4.3 Коагуляционное структурообразование в дисперсных системах

Как уже говорилось выше, коагуляционная структура в дисперсных системах образуется при взаимодействии частиц через прослойки жидкой фазы. На рис. 2.35 показана типичная кривая потенциальной энергии парного взаимодействия частиц дисперсной фазы. Считается, что фиксация частиц в первичном потенциальном минимуме (коагуляция) будет предотвращена, если величина барьера, препятствующего коагуляции DUт = DUmax+ D Umin будет больше 10 kT. DUmax , DUmin– высота потенциального барьера и глубина вторичного потенциального минимума энергии взаимодействия частиц.

При глубине вторичного потенциального минимума энергии взаимодействия частицу DUmin» (2¸3) возможна фиксация частиц на далеких расстояниях. Образованию таких коагуляционных структур будет способствовать повышение концентрации дисперсной фазы, увеличение размера частиц, отклонение формы частиц от сферической. На рис. 2.36 показаны схемы возможного взаимного расположения частиц различной формы при образовании коагуляционных структур.

В системах с монодисперсными сферическими частицами наиболее вероятно регулярное расположение частиц в пространстве, если их объемная концентрация выше критической. В полидисперсных системах мелкие частицы будут преимущественно располагаться вокруг более крупных. Как показывает расчет парного взаимодействия эллипсоидов вращения, эллиптические частицы, при наличии высокого барьера потенциальной энергии отталкивания и глубокого вторичного потенциального минимума, располагаются в коагуляционных структурах параллельно друг другу (рис. 2.36, г) и их малые оси симметрии не совпадают. Если частицы проявляют анизотропные силы притяжения (дипольные или анизотропные молекулярные), то их фиксация может происходить так, как на рис. 2.36, г и д. Анизотропные силы взаимодействия сферических частиц могут привести к образованию структур, изображенных на рис. 2.36, е.

Рис. 2.36.Схема возможного взаимного расположения частиц в структурированной дисперсной системе: а, б, в – сферические частицы; г, д, е – эллипсоидные частицы

Силы притяжения жестких и индуцированных диполей зависят от размера и формы частиц. В том случае, если аддитивный дипольный момент возникает при гидратации частиц, то его величина зависит от формы поверхности. Длинные тонкие палочкообразные частицы, продольная ось которых совпадает с осью диполя, способны к образованию коагуляционной структуры при очень малой их объемной концентрации. При той же величине удельной поверхности частиц объемная доля сферических частиц, необходимых для образования структуры, будет тем больше объемной доли палочкообразных частиц, чем они тоньше. Следовательно, с увеличением степени асимметричности частиц необходимая для структурообразования объемная доля их будет меньше. На рис. 2.37 приведена теоретическая зависимость критической концентрации структурообразования палочкообразных частиц от их длины при постоянной толщине.

Для сферических частиц радиусом от 5×10-9 до 5×10-7м. Критическая концентрация структурообразования составила 6,56 % по объему. С увеличением асимметрии частиц их критическая концентрация структурообразования резко снижается.

Рис 2.37. Зависимость критической концентрации структурообразования от длины палочкообразных частиц поперечного сечения 10 –16 м2

Экспериментальные исследования подтверждают теоретические расчеты. Так, например, было установлено, что для образования коагуляционной структуры в таких системах, как глинистые суспензии, дисперсии оксида железа, оксида ванадия и др., у которых тонкие длинные частицы имеют палочкообразную или пластинчатую форму, достаточно концентрации, равной десятым и даже сотым долям объемного процента дисперсной фазы.

В дисперсных системах, частицы которых стабилизированы диффузным двойным электрическим слоем, добавки электролитов приводят не только к снижению потенциального барьера, но и к увеличению глубины потенциального минимума на зависимости энергии взаимодействия от расстояния между взаимодействующими частицами, как показано на рис. 2.38. Можно отметить, что при концентрациях электролитов, меньших порога коагуляции, углубление потенциального минимума будет способствовать образованию структуры в дисперсных системах при относительно высокой температуре, но только в том случае, если повышение кинетической энергии частиц не приведет к нарушению их взаимодействия через прослойку жидкости. При разрушении коагуляционной структуры в дисперсной системе (в случае механического перемешивания, вибрации, облучения или нагревания) она может восстанавливаться через некоторое время после снятия разрушающего воздействия. Этот процесс обратимого разрушения – восстановления структуры - носит название тиксотропия. Тиксотропные превращения тем сильнее, чем больше глубина минимума на кривой зависимости потенциальной энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними. Особенно четко явление тиксотропии проявляется в дисперсных системах с асимметричными частицами.

Рис.2.38. Потенциальные кривые взаимодействия частиц полимера в латексе полистирола.1.Без добавок электролита, 2 - с 0,07 Na2SO4 моль/л, 3 - c 0,2 Na2SO4 моль/л.

Следовательно, время восстановления структуры будет зависеть от ее начальной прочности. Это можно видеть из данных Ребиндера по тиксотропному структурообразованию глинистой суспензии (рис. отсутствует, гуглите :) ). Предельное напряжение сдвига в зависимости от времени тиксотропного ее восстановления описывается уравнением параболы и стремится к некоторому максимальному значению, которое достигается при очень длительном восстановлении структуры. Вместе с тем следует отметить, что структура может тиксот- ропно восстанавливаться не только после снятия напряжения, но и в процессе течения, что объясняет наличие зависимости эффективной вязкости структурированных дисперсных систем от напряжения.

В случае течения структурированных жидкостей при малых напряжениях возможна ориентация частиц, приводящая к повышению энергии их взаимодействия, что вызывает увеличение эффективной вязкости, подчас значительное. Это явление получило название дилатансия. Дилатансия – структурообразование при взаимодействии ориентированных потоком частиц дисперсной фазы – иногда приводит к тому, что система теряет текучесть. Это явление иногда используют для создания пространственной структуры в дисперсиях, частицы которых обладают магнитными свойствами. Если такую систему поместить в магнитное поле, то ориентированные в нем частицы формируют прочную структуру. Этот эффект положен в основу гидромагнитных затворов.


Следующая страницаСодержаниеПредыдущая страница