СГРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Коагуляционные и конденсационные пространственные структуры

Строительные материалы (бетоны, известь, гипс, цемент, керамика и т. д.) - грубодисперсные системы с размером частичек более 100 ммк (1 ммк = 1-10"7см). Их разделяют на: свободнодисперсные (неструктурированные) и связнодисперсные (структурированные). Первые - текучие, т.к. частицы дисперсной фазы, не имея контактов в дисперсионной среде, участвуют беспорядочно в тепловом движении и свободно перемещаются под действием силы тяжести.

Структурированные (связнодисперсные) системы образуются при контакте частиц дисперсной фазы с образованием структуры в виде каркаса или сетки. Эти системы не текучие и сохраняют форму.

Ребиндером П.А. определены два типа пространственных структур - коагуляционные и конденсационные. В коагуляционных структурах контакт между частицами осущестляется через тонкие прослойки дисперсионной среды (рис. 1а) и точечные контакты (рис. 1в) или при участии макромолекул (рис. 16). Конденсационные структуры возникают путём склеивания, сваривания, срастания частиц дисперсной фазы на отдельных участках поверхности (рис. 1г).

Виды контактов в пространственных дисперсных структурах

Рис. 1. Виды контактов в пространственных дисперсных структурах:

а, в- коагуляционные с низкомолекулярными сольватными (а) и высокомолекулярными (б) слоями; в - точечные контакты;

г - фазовые контакты

В коллоидном растворе в начале коагуляционного взаимодействия агрегаты из двух, трех (а иногда и целой цепочки) первичных дисперсных частиц - сохраняют текучесть (скрытая коагуляция) до образования сетки. Но уже дальнейший рост агрегатов приводит к образованию коагулята (седимента) или геля. Возникает твердообразная коагуляционная структура, которая может быть плотной (рис. 2а) или рыхлой (рис. 26). Све-жевозникшие коагуляты во многих случаях часто переходят в состояние золя. Изотермичесский переход коагулята в золь называется пептизацией, а вызывающие его вещества - пептиза-торами.

Связнодисперсные системы

Рис. 2. Связнодисперсные системы:

коагулят с плотной (а) и рыхлой (б) «арочной» структурой

Пептизаторы ионной (электролиты) и молекулярной природы стабилизируют дисперсные системы и, адсорбируясь на поверхности первичных частиц, ослабляют взаимодействие между ними, приводя к распаду агрегатов, и коагуляты переходят в золь.

Пептизацию часто можно наблюдать при промывании дистиллированной водой находящихся на фильтре свежеполу-ченных осадков сульфидов и гидроксидов металлов. Промывание дистиллированной водой уменьшает концентрацию электролитов, что приводит к изменению структуры двойного электрического слоя - часть противоионов переходит из адсорбционного в диффузный слой, величина электрокинетического Ъ, -потенциала возрастает, и в результате этого осадок гидроксида или сульфида на фильтре уменьшается - пептизируется, проходя через поры фильтра в виде золя.

Со временем пептизируемость коагулятов в результате развития точечных контактов между первичными частицами уменьшается, происходит упрочнение коагуляционных структур или так называемое старение коллоидов. Проявляется оно в агрегации частиц дисперсной фазы, в уменьшении их числа и степени гидратации, в уменьшении поверхности раздела между фазами и адсорбционной способности. Прочность коагуляционных структур незначительна, так как сетчатый каркас из дисперсных частиц удерживается за счет межмолекулярных сил, которые невелики.

Для коагуляционных структур характерно явление тиксотропии (от греческого слова «тиксис» - встряхивание и «тре-по» - изменяется). При механических воздействиях происходит разрушение структуры с переходом в текучее состояние и в покое - самопроизвольное восстановление структуры, как бы «отвердевание». Тиксотропность может быть полезным свойством. Например, масляные краски, будучи разжижены механическим воздействием, в результате тиксотропного структурирования не стекают с вертикальных поверхностей. При высушивании материалов с этой структурой коагуляционные контакты переходят в точечные, теряют пластичность и прочность материала быстро возрастает. Оводнение такого высушенного материала (например, керамической массы, глины, бумажной массы) ведёт к его размоканию со снижением прочности.

Конденсационные дисперсные структуры в зависимости от механизма возникновения фазового контакта (рис. 1) разделяют на: структуры спекания (срастания) и кристаллизационные структуры твердения.

Структуры спекания возникают в результате сварки, сплавления, спекания или склеивания дисперсных частиц в точках касания. Они получаются при термической обработке, когда частицы дисперсной фазы «свариваются» по местам точечных контактов. Характерна она для ряда адсорбентов (алюмогель, силикагель), которые хрупки вследствие своей рыхлой структуры. При высокой плотности упаковки дисперсных частиц коагуляционные структуры спекания приобретают высокую прочность и часто жаростойкость. Таковы композиции из металла и тугоплавкого оксида металла, например, спеченный алюминиевый порошок (САП). На алюминиевый порошок наращивают тонкую оксидную пленку и затем спекают его под давлением. Структура САП представляет собой каркас из пленки А120з толщиной 10-20 нм, в ячейки которой включены зерна алюминия с сохранением частичных контактов между ними.

Таким образом, конденсационная структура представляют собой непрерывные каркасы дисперсной фазы и дисперсионной среды, вдвинутые друг в друга и не потерявшие дисперсности. Однако она может быть получена и при конденсации дисперсной фазы из пересыщенных растворов или расплавов. При образовании и росте зародышей новой фазы из концентрированных пересыщенных систем может возникнуть непрерывный сетчатый каркас путем срастания и переплетения растущих частиц дисперсной фазы. Если эти частицы представляют собой кристаллы, то возникающие структуры называют кристаллизационно-конденсационными структурами твердения.

Сцепление элементов конденсационных структур дополняется образованием химических связей, что обусловливает значительную их прочность. Конденсационные структуры не тиксотропны и не пластичны, это упруго-хрупкие, необратимо разрушаемые структуры, в отличие от тиксотропно-обратимых коагуляционных структур.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >