Управление структурно-механическими свойствами материалов

Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам. Возникновение объемных структур в различных дисперсных системах

После коагуляции структура дисперсных систем приобретает некоторое постоянство во взаиморасположении частиц, т.е. свободнодисперсная система переходит в связаннодисперсную. Структура этих систем характеризуется вязкостью, упругостью, пластичностью, прочностью. Эти свойства и называются структурно-механическими и зависят от интенсивности взаимодействия частиц со средой и между собой.

Анализ многообразия свойств в дисперсных системах позволил П.А. Ребиндеру разделить их на два основных класса, различающихся по видам взаимодействия частиц дисперсной фазы. Исходя из того, что коагуляция соответствует первичному и вторичному минимуму, на потенциальной кривой взаимодействия частиц, он предложил различать конденсационно-кристаллизационные и коагуляционные структуры. Конденсационно-кристаллизационное структурообразование, отвечающее коагуляции в первичном минимуме (яме), происходит путем непосредственного химического взаимодействия между частицами и их срастание с образованием жесткой объемной структуры.

Если частицы аморфные, то структуры, образующиеся в дисперсных системах называют конденсационными, если частицы кристаллические, то – кристаллизационным. При непосредственном срастании частиц механические свойства структур соответствуют свойством самих частиц. Первый тип структуры характерен для связно-дисперсных систем, т.е. систем с твердой дисперсионной средой. Такие структуры придают телам прочность, хрупкость и не восстанавливаются после разрушения. Течение такой системы возможно при наличии вакансий решетки частиц, т.е. незанятых частицами узлов, а также другими эффектами решетки. При деформировании кристаллоподобной структуры в ней возникают упругие напряжения, которые со временем исчезают, благодаря постепенному перемещению вакансий. Скорость этого перемещения может быть ограничена, что приводит к дилатантному типу зависимости, т.е. к увеличению вязкости с ростом напряжения. Начальная вязкость обратно пропорциональна концентрации вакансий. При отсутствии потенциального барьера U_max = 0 происходит непосредственный (фазовый) контакт частиц h₀ = 0. Перекристаллизация дисперсной фазы в точках контакта ведет к образованию прочной, но хрупкой структурной сетки. Такие структуры называются кристаллизационными.

Под коагуляционными структурами понимают структуры, которые образуются при коагуляции, соответствующей второму минимуму потенциальной кривой взаимодействия частиц. Взаимодействие частиц происходит через прослойки дисперсионной среды, является, как правило, Ван-дер-ваальсовским и поэтому пространственный каркас не обладает большой прочностью. Между частицами дисперсной фазы взаимодействие осуществляется через прослойки дисперсионной среды. Наиболее распространенный вид структурообразования – это возникновение рыхлой пространственной сетки за счет преобладания притяжения частиц на расстоянии h = h₀. Необходимым условием образования такой структуры является заметная величина потенциальной ямы и концентрация частиц больше 0,01 – 0,1 объемной доли, достаточное для образования сплошной пространственной сетки.

Механические свойства коагуляционных структур определяются свойствами частиц, образующих структуру, характером и особенностями межчастичных связей и прослоек среды. Они имеют обычно жидкую дисперсионную среду. Для них характерна способность восстанавливать свою структуру во времени после их механического разрушения. Т.к. обратимое изотермическое разрушение структуры при механическом воздействии и ее последовательное восстановление после снятия нагрузки называется тиксотропией, то соответствующие структуры часто называют коагуляционно – тиксотропными. Самопроизвольное восстановление коагуляционной структуры свидетельствует о том, что она обладает наибольшей механической прочностью при относительном минимуме энергии Гиббса. Такого соответствия нет у конденсационно-кристаллизационных структур, которые образуются обычно в условиях высоких пересыщений и поэтому термодинамически неустойчивы. Их высокая прочность обеспечивается одновременным уменьшением пересыщений и внутренних напряжений.

Коагуляционная структура способна разрушаться при механическом воздействии, например, при течении до отдельных частиц (рис. 4.2.2.1).

Для тиксотропного восстановления требуется время. Это время особенно велико у гелей (структурированных коллоидных растворов). Разрушение структуры в потоке являются причины понижения вязкости. При малых напряжениях структура фактически не разрушается и дисперсная система имеет постоянное увеличение вязкости, участок I. При полном разрушении вязкость достигает минимума и не зависит от напряжения, участок III рис. 4.2.2.2.

Основными факторами, определяющих структуру и реологические свойства дисперсной системы, является концентрация частиц в объемных долях и потенциал парного взаимодействия частиц. График зависимости энергии взаимодействия двух частиц от расстояния между ними называется потенциальной кривой (рис. 4.2.2.3). Основными параметрами потенциальной кривой является высота потенциального барьера U_max, глубина потенциальной ямы U_min (энергия связи частиц) и координата минимальной энергии h₀. В разбавленных агрегативно-устойчивых системах (U_max>>KT и U_min<<KT, КТ – энергия теплового движения частиц).

Частицы полностью сохраняют полную свободу перемещения и не имеют структуры. Такие системы является ньютоновскими и вязкость их подчиняется уравнениям Эйнштейна коагулирующей системы, возникающей при коагуляции частиц на расстояниях, отвечающих вторичному минимуму на потенциальной кривой (h₀₎. Коагуляция в первичном минимуме приводит к образованию конденсированных кристаллических структур.

Чтобы представить упрощенно процесс образования структуры в дисперсных системах, рассмотрим особенности седиментационных объемов, отличающих агрегативно устойчивые и неустойчивые системы.

В агрегативно устойчивых системах после оседания частиц образуется плотный осадок малого седиментационного объема и выделяется рыхлый осадок, занимающий большой объем. После декантации получают системы с минимальной концентрацией дисперсной фазы, отвечающей образованию структуры – пространственного каркаса из частиц дисперсной фазы. Эту концентрацию называют критической концентрацией структурообразования. В соответствии с седиментационными объемами и концентрациями дисперсной фазы в осадках различают плотную и свободную упаковку частиц. При плотной упаковке концентрация дисперсной фазы максимальна, свободной упаковке соответствует минимальная концентрация дисперсной фазы, при которой может образоваться структурная сетка. При той и другой упаковке характерно наличие предела текучести, который может возникнуть при контакте частиц друг с другом. Объем свободной упаковки, как и седиментационный объем, возрастает (снижается критическая концентрация структурообразования) уменьшением дисперсности, анизометрии частиц дисперсной фазы и образующихся первичных агрегатов. Соприкасаясь своими концами, частицы и их агрегаты образуют структурную пространственную сетку. Чем выше дисперсность и сильнее анизометрия частиц и агрегатов, тем при меньшей концентрации появляется предел текучести. Большими объемами свободной упаковки обладают суспензии с пластинчатыми мицеллами гидроксидов железа и алюминия, с кольчатыми мицеллами пятиоксида ванадия и другие нитевидные молекулы органических полимеров, особенно с полярными группами, придающими жесткость макромолекулам, образуются твердообразные структуры в водной среде при очень малых концентрациях полимера (агара 0,1%, желатина 0,5%). Подобные твердообразные структуры называют гелями, а применительно к растворам полимеров – студнями.

Твердообразные дисперсные системы, внутри которых распределена жидкость, в коллоидной химии называют гелями. В России за гелями, образованными из растворов органических высокомолекулярных систем (ВМС), установилось название студней. К гелям можно отнести торф, уголь, древесину, бумагу, адсорбенты, кожу, зерно, и другие.

Эластичными свойствами отличаются студни с коагуляционной структурой, например, желатин, тесто и другие. Также студни образуются в растворах линейных и разветвленных высокомолекулярных систем (ВМС) в не очень хороших растворителях. В хороших растворителях студни не образуются. Студни с коагуляционной структурой могут разрушаться с повышением температуры и переходить в состояние раствора. Этот процесс называется плавлением. Студни конденсированного типа образуются при трехмерной полимеризации в растворе или в результате набухания пространственного полимера. Химические связи между макромолекулами не разрушаются при нагревании, поэтому такие студни не плавятся, типичным примером таких студней ионообменные смолы.

Для гелей характерен процесс старения. Он заключается в постепенном упрочнении структуры, ее сжатии и высвобождении части жидкости из структуры. Это явление называется синерезисом. Переход коагуляционной структуры в конденсационную - пример синерезиса. Синерезис заключается в сжатии каркаса студня или геля (рис. 4.2.2.4), изменении взаимного расположения частиц и выдавливании преимущественно свободной жидкости. Вследствие синерезиса стуктура сжимается, сохраняя первоначальную форму. Жидкость, которая выделяется при синерезисе, помимо свободной может включать часть связанной воды, в которой попадаются даже частицы дисперсной фазы. Так, сыворотка, выделяющаяся после образования простокваши, является слабоконцентрированным золем.

Для студней ВМС процесс синерезиса может быть обратимым. Иногда достаточно простого нагревания, чтобы вернуть систему в первоначальное (до синерезиса) состояние.

Широкий спектр структурно-механических свойств отражает многообразие природных и синтетических тел, большинство из которых являются дисперсными системами.

Благодаря смешению фаз с различной природой и агрегатным состоянием, размерами частиц и взаимодействия между ними, процессам, протекающим в дисперсных системах и т.д., их структурно-механические свойства представляются непрерывным и бесконечным рядом не только промежуточных, аддитивно складываемых свойств, но и качественно новых, не присущим отдельным компонентам. Умение управлять процессами, протекающих в дисперсных системах, позволяет получать материалы с заданными свойствами.

Когда коллоидные частицы подходят очень близко друг к другу, их диффузные слои перекрываются и взаимодействуют. Это взаимодействие совершается в тонкой прослойке дисперсионной среды, разделяющей частицы. Устойчивость лиофобных золей определяется, главным образом, особыми свойствами этих тонких жидких слоёв.

Когда две коллоидные частицы, находящиеся в дисперсионной среде, сближаются, вначале они разделены толстым слоем жидкости, который постепенно утончается и в результате становится очень тонким.

После образования тонкого жидкого слоя утончение его может продолжаться, и это ещё больше сближает частицы. Утончение жидкого слоя заканчивается либо разрывом его при некоторой малой толщине, либо достижением некоторой равновесной толщины, которая далее не уменьшается. В первом случае частицы слипаются, а во втором – нет. Свойства этого тонкого жидкостного слоя определяют, произойдёт ли коагуляция, т. е. определяют устойчивость коллоидов.

Исследования показали, что утончение тонкого слоя при сближении частиц происходит путём вытекания из него жидкости. Когда жидкий слой становится достаточно тонким (толщина его меньше 100-200 нм), свойства жидкости в нём начинают сильно отличаться от свойств жидкости в окружающем объёме. В слое появляется дополнительное давление, которое В. Дерягин назвал “расклинивающим давлением”. По определению Дерягина, оно положительно, когда давление в слое понижено, это противодействует вытеканию из него жидкости, т.е. препятствует сближению коллоидных частиц. Отсюда происходит название “расклинивающее”, т.е. давление, которое раздвигает, “расклинивает” частицы. Расклинивающее давление может быть и отрицательным, т. е. повышать давление в слое, ускорять вытекание из него жидкости и способствовать сближению частиц.

Возникновение расклинивающего давления в тонких жидких слоях обусловлено такими факторами:

1) электростатическим взаимодействием в слое, обусловленное взаимным перекрыванием двойных электрических слоев (ДЭС) – это силы отталкивания с энергией U_отт>0;

2) Ван-дер-Ваальсовыми силами притяжения с энергией U_пр<0;

1. Адсорбционными силами, возникающими при перекрывании молекулярных адсорбционных слоев, где повышенная концентрация создает осмотический поток в сторону пленки, приводит к росту поверхностной энергии системы и, следовательно, к отталкиванию;

2. Структурным, связанным с образованием граничных слоев растворителя с особой структурой. Он характерен для лиофильных систем и соответствует термодинамическим представлениям об адсорбционно-сольватном барьере. Эффект обычно положительны.

Результирующая энергия межчастичного взаимодействия U определяется как сумма двух составляющих:

Если |U_отт| > |U_пр|, то преобладают силы отталкивания, коагуляция не происходит, золь является агрегативно устойчивым. В противоположном случае преобладают силы притяжения между частицами, происходит коагуляция.

Рассмотрим количественную интерпретацию этих сил.

Электростатическое отталкивание между мицеллами возникает при перекрывании диффузных слоёв противоионов. Энергия этого взаимодействия:

,

где h – расстояние между частицами; - величина, обратная толщине диффузного слоя δ; A – величина, не зависящая от h и определяемая параметрами ДЭС.

Величины א и A могут быть рассчитаны на основе теории ДЭС.

Расчёты показывают, что энергия отталкивания уменьшается:

• при увеличении зарядов противоионов и их концентрации;

• при уменьшении по абсолютной величине φ_о и z-потенциала.

Из уравнения следует, что U_отт убывает с увеличением расстояния между частицами h по экспоненциальному закону.

Энергия притяжения связана, главным образом, с дисперсионным взаимодействием между молекулами. Она может быть рассчитана по уравнению

Жидкообразные и твердообразные тела. Ньютоновские и неньютовские жидкости. Псевдопластические и дилатантные жидкообразные тела. Уравнение Оствальда-Вейля. Бингамовские и небингамовские твердообразные тела. Тиксотропия и реопексия

Предложенная П.А. Ребиндером классификация структур дисперсных систем помогает связать механические свойства тел с их строением.

В соответствии с реологическими свойствами все реальные тела делят на жидкообразные (предел текучести равен нулю, Р_Т = 0) и твердообразные (Р_Т > 0).

Жидкообразные тела классифицируют на ньютоновские и неньютоновские жидкости. Ньютоновские жидкости – это системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона. Течение неньютоновских жидкостей не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига. Неньютоновские жидкости подразделяются на стационарные, реологические свойства которых не меняются во времени, и нестационарные, для которых эти характеристики зависят от времени. Неньютоновские стационарные жидкости подразделяются на псевдопластические и дилатантные (рис. 4.1.2.1 и 4.1.2.2).

Исходя из экспериментальных исследований, графические зависимости напряжения сдвига от скорости деформации в логарифмических координатах часто линейны и различаются только тангенсом угла наклона прямой, поэтому общую зависимость напряжения сдвига Р от скорости деформации g можно выразить в виде степенной функции:

,

где k и n – постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.

Двухпараметрическое уравнение – математическая модель Оствальда-Вейля: ньютоновская вязкость h неньютоновской стационарной жидкости определяется уравнением

.

При n = 1 жидкость ньютоновская (кривая 1 рис. 4.1.2.1). Отклонение n от 1 характеризует степень отклонения свойств жидкости от ньютоновских.

Разбавленные дисперсные системы с равноосными частицами обычно – ньютоновские жидкости. Псевдопластические жидкости – суспензии с асимметричными частицами, растворы полимеров производные целлюлозы). Дилатантные жидкости в химической технологии встречаются редко, их свойствыа характерны для некоторых керамических масс. Дилатантное поведение наблюдается у дисперсных систем с большим содержанием твердой фазы.

Твердообразные дисперсные системы подразделяют на бингамовские и небингамовские, поведение которых описывается уравнением:

При n = 1 (рис. 4.1.2.2) – бингамовское тело; n > 1 – пластическое дилатантное тело; n < 1 – псевдопластическое твердообразное тело.

К бингамовским твердообразным телам по реологическим свойствам близки пульпы, шламы, буровые растворы, зубные пасты и т.п.

Для нестационарных систем характерны явления тиксотропии и реопексии.

Тиксотропия – специфическое свойство коагуляционных структур, выражается в восстановлении контактов в разрушенной структуре между частицами дисперсной фазы вследствие подвижности среды и броуновского движения частиц.

Реопексия – возрастание прочности структуры со временем при действии напряжения сдвига (т.е. это явление, противоположное тиксотропии).

,

где A_Г – константа Гамакера.

Из этого уравнения следует, что энергия притяжения изменяется с увеличением расстояния между частицами h обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, притяжение сравнительно медленно уменьшается с увеличением расстояния. Так, при увеличении h в 100 раз энергия притяжения уменьшается в 10⁴ раз. В то же время энергия отталкивания уменьшается в 10⁴³ раз.

Результирующая энергия взаимодействия между частицами, находящимися на расстоянии h, определяется уравнением: