Арактеристика систем с твердой дисперсионной средой

Ранее были рассмотрены классификация систем с твердой дисперсионной средой в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы (см. табл. 1.1), а также применительно к дисперсным системам в различных отраслях промышленно­сти (см. табл. 1.2).

Высокодисперсные системы типа Т/Т по аналогии с систе­мами с жидкой дисперсионной средой (см. табл. 1.1) называют твердыми золями, а грубо- и среднедисперсные системы — спла­вами. Подобное деление все же несколько условно, так как час­то в системе присутствуют частицы разного размера. К диспер­сным системам Т/Т относятся минералы, горные породы, эма­ли, сплавы металлов. Некоторые сорта стали представляют со­бой дисперсную систему, в которой дисперсная фаза образуется из частиц цементита Fe.C. В чугуне дисперсную фазу составля­ют частицы углерода. Присутствие дисперсной фазы в стали и чугуне влияет на их прочностные свойства.

Дисперсные системы типа Ж/Т по аналогии с системами с жидкой дисперсионной средой называют твердыми эмульсиями. Твердые эмульсии в чистом виде встречаются сравнительно ред­ко. К ним относится, например, черный фарфор, который полу­чают диспергированием ртути в расплаве полуфабриката. Ша­рики ртути формируют жидкую дисперсную фазу.

К дисперсным системам типа Ж/Т можно с некоторыми до­пущениями отнести часть овощей и фруктов, например яблоки, твердый каркас ткани которых пропитан жидкостью.

Твердая дисперсионная среда придает этому виду дисперс­ных систем по сравнению с другими особые свойства — она образует жесткий каркас. За счет него обеспечивается агрегатив-ная и седиментационная устойчивость этого вида дисперсных систем. Жесткий каркас образует твердую структуру, которая сообщает дисперсным системам прочность, упругость, эластич­ность и пластичность. Так, значение модуля Юнга структуриро­ванных масс с твердой дисперсионной средой превышает 10⁴ Па, вязкость — 10⁶ Пас.

В системах с твердой дисперсионной средой типа Г/Т и Ж/Т возникает граница раздела фаз Г—Т и Ж—Т, на которой могут протекать адсорбционные (см. гл. 4—6) и адгезионные (см. гл. 5) процессы. В меньшей степени эти процессы, а также диффузия (см. параграф 9.3) идут на границе раздела двух твердых тел у дисперсных систем типа Т/Т.

Из электрокинетических явлений для дисперсных систем типа Ж/Т характерен электроосмос; этот процесс используют для уда­ления жидкой дисперсионной среды, например при сушке дре­весины. Некоторые дисперсные системы типа Ж/Т и Т/Т спо­собны рассеивать свет (см. параграф 8.1). В обобщенном виде коллоидно-химические свойства дисперсных систем с твердой дисперсионной средой приведены ниже:

Коллоидно-химические Их проявления

свойства

Адсорбция и адгезия Полностью

Молекулярно-кинетические Диффузия для систем Г/Т и Ж/Т

Рассеяние света Электрокинетические Агрегативная и седиментационная устойчивость Структурно-механические

Полностью

Электороосмос для капиллярно-пористых тел

Полностью

В виде прочности, упругости, пластичности (см. гл. 11)

Жемчуг представляет собой дисперсную систему типа Т/Т и состоит преимущественно (до 91%) из мелких, но одинаково ориентированных кристаллов карбоната кальция СаСО₃. Каждый кристалл окружен тонким слоем перламутра. Пластинчатые кристаллы имеют толщину до 2 мкм, а ширину — от 3 до 30 мкм. Толщина пластинчатого перламутрового слоя достигает 0,5 мм. Перламутр, дисперсная фаза жемчуга, образуется из тонких пластинок двустворчатых и брюхатых моллюсков, невидимых невооруженным глазом. Перламутр жемчуга рассеивает свет и создает тонкие переливы красок, которые сообщают жемчугу неповторимый колорит.

Рассеяние света определяет окраску драгоценных и полудрагоценных камней, которые содержат ничтожное количество примесей тяжелых металлов и их оксидов. Эти примеси находятся в раздробленном состоянии и составля­ют дисперсную фазу.

В естественных рубинах и изумрудах такими примесями являются оксиды хрома. Окраску искусственных рубиновых стекол, технология изготовления которых, как уже отмечалось, связана с именем М.В.Ломоносова, определяет незначительное содержание раздробленных частиц золота. Зеленая окраска александрита вызвана примесью хрома. В зависимости от длины падающего света александрит по-разному рассеивает его и изменяет свою окраску: при дневном свете она изумрудно-зеленая, а при искусственном приобретает вишнево-красный оттенок.

На основе закономерностей физико-химической механики, ее методик и рекомендаций были получены новые конструкци­онные структурированные материалы с заранее заданными ме­ханическими и другими свойствами. Ряд таких материалов от­носится к дисперсным системам типа Т/Т. Для создания подоб­ных структурированных систем исходные вещества сначала из­мельчают, а затем получают из порошков твердые материалы. Казалось бы, зачем тратить энергию на разрушение и дробле­ние, с тем чтобы вновь превратить материал в единое целое? Но дело в том, что структура реальных твердых тел имеет множе­ство дефектов и слабых мест, которые вызваны трещинами, не­ровностями, неравномерным строением кристаллической решет­ки и другими причинами. Поэтому прочность реальных твердых тел в сотни и даже тысячи раз меньше максимально возможной при отсутствии дефектов.

Измельчение устраняет подобные дефекты, так как процесс разрушения твердых тел происходит по слабым местам. Кроме того, образующиеся дисперсные системы обладают большой нереализованной свободной поверхностной энергией (см. пара­граф 2.2), что дает возможность получать из них композицион-

ные структурированные материалы, обладающие прочностью, значительно превышающей прочность исходных твердых тел. К подобным композиционным материалам относятся ситаллы, керметы и так называемые САП.

Ситаллы — это закристаллизованные стекла; они относятся к дисперсным системам типа Т/Т. Помимо стекловидной фазы в материал входят кристаллические образования. Размеры кристаллов, которые образуются в результате введения в стекло небольших количеств различных веществ (металлов, их оксидов и др.), не превышают 1 мкм. Множество переплетающихся кристаллов сообщает структуре прочность, в 10 раз превышающую прочность прокатного стекла. Некоторые марки ситаллов тверже углеродистой стали и легче алюминия, а по термостойкости не отличаются от кварца.

Керметы сочетают свойства керамики (тугоплавкость, твердость, жаростойкость) и металлов (проводимость, пластичность и др.). Они относятся к металлокерамическим материалам.

Новый конструкционный материал, представляющий собой спеченный алюминиевый порошок, получил название САП. Частицы оксида алюминия создают структуру, промежутки в которой заполнены алюминием. САП по сравнению с чистым алюминием имеет повышенную прочность, обладает стойкостью к агрессивным средам, жаропрочностью и другими положительными качествами. Под материалами САП в настоящее время подразумевают не только алюминиевые, но и все композиции, составленные из металла и его высоко­дисперсного твердоплавкого оксида.

вердые пены

В дисперсных системах типа Г/Т пузырьки газа окружены твердой оболочкой; такие системы называют твердыми пенами.

В отличие от обычных пен (Г/Ж) у твердых пен каркас, образованный дисперсионной средой, обладает прочностью и способен противодействовать внешнему усилию. По аналогии с условием (16.1) кратность твердых пен составляет

р = у/у_т = (к_г + V_r)IV_r, (18.1)

где V, V_r, V_T — объем дисперсной системы, газовых включений и твердого каркаса,'формирующего дисперсионную среду, соответственно.

Твердая пена образуется при застывании быстро извергающейся вулканической лавы, в которой под высоким давлением растворены газы. В процессе извержения вулкана давление быстро падает, растворенные газы покидают лаву и вспучивают ее. Этот природный процесс в широких масштабах воспроизводится в технологиях производства твердых и эластичных пен, легких бетонов, железобетонов и строительных пористых материалов. Типичным из них является керамзит — пористый материал, получаемый из легкоплавкой глины и глинистого сланца.

Твердые пены могут быть получены теми же методами, что и жидкие. Кроме того, при охлаждении растворов и отверждении расплавов жидких пен они переходят в твердые. Твердые пены в пищевой промышленности получают вспениванием и при по-

мощи пеносушки (см. табл. 16.1). Вспенивание пищевых про­дуктов дает возможность усилить вкус пищи и делает пищу бо­лее привлекательной. При вспенивании за счет газа или воздуха происходит изменение консистенции и структуры некоторых пищевых масс.

Хлеб — также типичная твердая пена, вспенивание происходит в процессе приготовления теста. В дрожжевом тесте дрожжи вызывают брожение, при котором образуется диоксид углерода, вспенивающий тесто. Для кондитерских изделий добавляют соду или «пекарский порошок» — карбонат аммония, разлагающийся при нагревании с выделением СО₂. Перед формовкой в тесте образуются пузырьки, имеющие круглую или овальную форму. Расстояние между пузырьками значительное (не менее 0,5 мм), а газопроницаемость отсутствует; поэтому в тесте поры не сливаются. Объем газовой дисперсной фазы может достигать 10% от объема теста.

При росте температуры в процессе выпечки хлеба газ в порах расширяется, перегородки утончаются и могут разорваться. Поры укрупняются и принимают неправильную форму. Пористость хлеба колеблется от 52 до 76%. Диаметр пор мякиша хлеба из теста пшеничной муки достигает нескольких миллиметров.

Пеносушка — это приготовление вспененной массы с одно­временным сублимационным высушиванием продукта. Напом­ним, что сублимация — это переход вещества из твердого состо­яния в газообразное, минуя жидкое. Образующаяся пена позволя­ет резко увеличить поверхность раздела фаз и ускоряет процесс сушки. После высушивания продукт измельчают. Сушку на осно­ве предварительного вспенивания применяют для тех продуктов, которые способны сохранить свои качества в этом процессе.

Подобным образом приготавливают сухое картофельное пюре, яичный порошок, растворимый кофе, порошки пюре, соков и шипучих напитков, сухое молоко, гидролизаторы кормовых дрожжей и многие другие продукты. В процессе пеносушки жидкие пены переходят в твердые.

Твердые пены широко используются в строительстве. Пенопласты, пенобетон, пеностекло относятся к твердым пенам. Из пенообразных искусст­венных материалов наибольшее распространение получили пенопласты.

В пенопластах дисперсной фазой является газ, пузырьки которого более или менее равномерно распределены по всему объему материала. Для создания в пластмассах газовых пузырьков и ячеистой структуры применяют газообразователи; газообразование стимулируется за счет химических, механических и физических процессов.

В пенопластах ячейки изолированны. Если в материале преобладают сообщающиеся ячейки, то такой материал называют поропластом. Те и другие различаются по свойствам и применению.

Поропласты проницаемы для воды и газов, имеют по сравнению с пенопластами худшие тепло- и электроизоляционные свойства: в то же время они обладают высокой звуко- и виброизоляционной способностью.

Среди пенопластов особое место занимают пеноматериалы, относительное удлинение которых достигает 300-400%. Эти материалы - поролоны - получили широкое распространение. Малая объемная масса, плотность всего 30—40 кг/ м³, хорошие теплоизоляционные свойства, воздухонепроницаемость, стойкость к маслам, к бензину и другим веществам позволяют применить их в качестве амортизационного, тепло- и звукоизоляционного материала.

Поролоны применяют для изготовления подушек сидений, матрацев, мебели, теплых прокладок одежды и обуви, а также для упаковки стеклянных изделий, мебели, посуды и в других случаях.

В строительной практике используют ячеистые бетоны, органические и минеральные пены, в частности пеностекло. Пеностекло применяют в фильтрах для очистки вод промышленных предприятий. Широкий ассортимент изделий из пеностекла включает декоративные и акустические сорта.

апиллярно-пористые тела

Особыми свойствами обладают капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капил­лярных размеров. Если капилляры заполнены газом, то эти тела образуют систему Г/Т, а если жидкостью — Ж/Т. Иногда жидко­стью заполняется только часть пор, т.е. образуются системы типа Г, Ж/Т.

К капиллярно-пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, войлок, фетр и др. В зависимости от содержа­ния влаги их можно рассматривать как дисперсные системы типа Г/Т, Ж/Т или Г, Ж/Т.

Древесина состоит из клеток с одревеневшими оболочками и имеет сосудистую капиллярно-пористую систему. Удивительные механические свойства древесины как замечательного конструкционного материала обуслов­лены ее структурой.

Как бы ни уплотняли бетон, в нем всегда имеются поры. Типичной формой этих пор являются короткие цилиндрические каналы, которые в некоторых сортах бетона имеют диаметр от 0,6 до 1000 нм.

Почвы можно рассматривать и как капиллярно-пористые тела. В основном пористость почвы колеблется в пределах от 40 до 60%. В торфяных почвах она возрастает до 90%, а в заболоченных снижается до 27%. Поровое пространство почвы заполнено воздухом, в котором находятся летучие органические соединения. Кроме того, там помещается и жидкая часть почвы — почвенный раствор, который осуществляет перенос веществ внутри почвы, вынос их из почвы, снабжение растений водой и растворенными веществами.

Одним из характерных по­верхностных свойств капилляр­но-пористых тел является подъем жидкости в порах (рис. 18). Капиллярный подъем са­мопроизвольный процесс, ко­торый связан с механическим перемещением жидкости отно­сительно стенок капиляра.

Рис. 18. Капиллярный подъем

жидкости, смачивающей

поверхность пор

В капиляре за счет смачивания образуется вогнутый мениск На такой искривленной поверхности с радиусом кривизны г поверхностное натяжение о^ вызывает капиллярное давление Ар (см. рис. 2.6). В соответствии с формулой (2.23) давление за счет кривизны поверхности, можно представить в виде

жЛ в, (18.2)

где 9 — краевой угол смачивания (см. рис. 18).

Капилярное давление уравновешивается весом Р столба жидкости высотой Я, т.е. Ар = />_н. Это равенство с учетом фор­мулы (18.2) и веса столба жидкости можно записать в следую­щем виде:

= (р - )

где р, р₀ — плотность жидкости и газа (воздуха).

В связи с тем что р » р₀, плотностью газа можно пренеб­речь; тогда высоту подъема жидкости в капилляре определяют при помощи формулы

H = 2a_yKrcosQ/(rpg) (18.4)

^о¹}?^{11 полном} смачивании, когда 9 = 0 и cos Э = 1, формула (15.4) приобретает следующий вид:

^н=2ажЛ^гР8)- (18.5)

При помощи формул (18.4) и (18.5) можно определить высо­ту подъема жидкости в капиллярно-пористых телах. В капилля­ре радиусом 1 мкм высота подъема воды может достигать 15 м

Фактически размеры пор в дисперсных системах неодинако­вы; поры направлены в различные стороны, а значительная часть из них является тупиковыми, т.е. не имеет продолжения Поэто­му для более точных расчетов в формулы (18.4) и (18.5) необхо­димо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие осо­бенности пористого материала.

Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе про­питки и увлажнения структурированных капиллярно-пористых тел, он определяет влагосодержание почвы, питание растений

На несмачивающейся поверхности, когда е > 90°, образуется выпуклый мениск, а капилярное давление направлено в глубь жидкости, что обусловливает всасывание жидкости в капиляр

Упражнения