СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

 

Седиментационная устойчивость суспензии – это способность ее сохранять неизменным во времени рас­пределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.

Так как большинство суспензий оказываются поли­дисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, которые не могут участвовать в броу­новском движении, суспензии являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами. Если плот­ность частиц меньше плотности дисперсионной среды, то они всплывают, а если больше – оседают.

Изучение седиментации суспензий связано, в первую очередь, с получением кривых накопления осадка (кри­вых седиментации) т = f(t). Кривые накопления могут быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установ­лено, что вид кривых седиментации зависит от того, яв­ляется ли седиментирующая суспензия агрегативно ус­тойчивой или нет. Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно, увеличением ско­рости их оседания, то на кривых седиментации появляет­ся точка перегиба. Если же суспензия агрегативно устой­чива (нет коагуляции), то на кривой седиментации пере­гиб отсутствует. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.

В агрегативно устойчивых суспензиях оседание час­тиц происходит медленно и формируется очень плотный осадок. Объясняется это тем, что поверхностные слои пре­пятствуют агрегированию частиц; скользя, друг по другу, частицы могут перейти в положение с минимальной потенциальной энергией, т. е, с образованием упаковки, близкой к плотнейшей. В этом случае расстояние между частицами и координационное число (число соседних ча­стиц) в осадке такой седиментирующей, но предельно стабилизированной суспензии, определяется соотношением между:

• силой тяжести;

• межмолекулярным притяжением частиц;

• силами отталкивания между частицами, обеспечиваю­щими агрегативную

устойчивость суспензии.

В агрегативно неустойчивых суспензиях оседание ча­стиц происходит значительно быстрее вследствие образо­вания агрегатов. Однако выделяющийся осадок занимает гораздо больший объем, так как частицы сохраняют то случайное взаимное расположение, в котором они оказа­лись при первом же контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с их силой тяжести или больше ее. Наблюдается анизометрия (т. е. преобладание одного из размеров частицы над двумя другими) образующихся аг­регатов или флокул. Исследования показывают, что наи­более вероятны цепочечные и спиральные первоначаль­ные агрегаты, из которых затем получаются осадки боль­шого седиментационного объема.

Различие седиментационных объемов агрегативно ус­тойчивых и неустойчивых систем наиболее четко проявля­ется, если частицы имеют средние размеры. Если частицы крупные, то, несмотря на то, что суспензия агрегативно неустойчивая, осадок получается более плотным из-за зна­чительной силы тяжести, зачастую преобладающей над си­лами сцепления между частицами. Если же частицы очень мелкие, то и в агрегативно устойчивой системе из-за малой силы тяжести образуется чрезвычайно подвижный осадок.

 

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

 

Агрегативная устойчивость суспензии – это способ­ность сохранять неизменной во времени степень диспер­сности, т. е. размеры частиц и их индивидуальность.

Агрегативная устойчивость разбавленных суспензий весьма сходна с агрегативной устойчивостью лиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устой­чивыми системами, так как содержат более крупные час­тицы и, следовательно, имеют меньшую свободную по­верхностную энергию.

При нарушении агрегативной устойчивости суспен­зии происходит коагуляция – слипание частиц дисперс­ной фазы. Коагуляция – это самопроизвольный процесс, так как сопровождается уменьшением свободной энергии системы за счет уменьшения межфазной поверхности. Этот процесс аналогичен тому, который происходит в лиозолях, более того, коагуляция лиозолей приводит к образованию суспензий и далее может продолжаться в них, приводя к образованию осадка. Этот осадок часто является концентрированной суспензией (пастой) – т. е. структурированной системой, свойства которой будут рас­сматриваться в отдельном разделе.

Для достижения агрегативной устойчивости суспен­зии необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

• смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной

средой;

• наличие стабилизатора.

Первое условие. Если частицы суспензии хорошо сма­чиваются дисперсионной средой, то на их поверхности образуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты. Хорошая смачиваемость частиц на­блюдается в суспензиях полярных частиц в полярных жидкостях и неполярных частиц в неполярных жидко­стях.

Примером агрегативно устойчивых суспензий без ста­билизатора с сольватационным механизмом устойчивости являются суспензии кварца в воде и сажи в бензоле. Так как кварц хорошо смачивается водой, а сажа – бензолом, эти суспензии агрегативно устойчивы без третьего компо­нента – стабилизатора. Если заменить дисперсионную сре­ду, исключая тем самым смачивание (например, разме­шать порошок сажи в воде), то получается агрегативно неустойчивая система – частицы сажи водой не смачива­ются, гидратная оболочка не образуется и незащищенные частички легко соединяются друг с другом.

Второе условие. Если частицы суспензии не смачива­ются или плохо смачиваются дисперсионной средой, то используют стабилизатор.

Стабилизатор – это вещество, добавление которо­го в дисперсную систему повышает ее агрегативную ус­тойчивость, т. е. препятствует слипанию частиц.

В качестве стабилизаторов суспензий применяют:

• низкомолекулярные электролиты;

• коллоидные ПАВ;

• ВМС.

Механизм их стабилизирующего действия различен, в зависимости от природы стабилизатора реализуется один, а чаще несколько факторов устойчивости, аналогично тому, как это происходит в лиофобных золях. Отметим возможные факторы устойчивости: адсорбционно–сольватный, электростатический, структурно –механический, эн­тропийный, гидро– динамический.

Если стабилизатор является ионогенным веществом (рас­падается в растворе на ионы), то обязательно действует электростатический фактор устойчивости: на поверхности частиц образуется двойной электрический слой, возникает электрокинетический потенциал и соответствующие элект­ростатические силы отталкивания, препятствующие слипа­нию частиц. Электростатическое отталкивание частиц опи­сано теорией ДЛФО (см. раздел 10.4). Если это ионогенное вещество – низкомолекулярный неорганический электро­лит, то его стабилизирующее действие ограничивается только этим фактором. Если же ионогенное вещество – коллоид­ное ПАВ или полиэлектролит, то реализуются и другие факторы устойчивости, рассмотрим их подробнее.

 

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ

КОЛЛОИДНЫХ ПАВ

Стабилизирующее действие коллоидных ПАВ опреде­ляется их способностью адсорбироваться на межфазной по­верхности, образуя адсорбционные пленки. Вследствие вы­сокой поверхностной активности концентрация ПАВ в по­верхностном слое в десятки тысяч раз превышает объемную концентрацию, поэтому в адсорбционных пленках, так же как и в мицеллах ПАВ, происходит ассоциация неполяр­ных групп. Строение адсорбционного слоя зависит от:

• природы ПАВ;

• природы межфазной поверхности (границы: «твердая частица–жидкая

среда»);

• степени заполнения поверхности;

• наличия в дисперсионной среде различных добавок. Изменение строения

адсорбционного слоя отражается на его защитных свойствах.

Коллоидное ПАВ, имея дифильное строение, способно адсорбироваться как на полярных, так и на неполярных поверхностях, лиофялизируя их.

В соответствии с правилом уравнивания полярнос­тей Ребиндера стабилизирующее действие ПАВ прояв­ляется тем заметнее, чем больше первоначальная разни­ца в полярностях твердой частицы и жидкой дисперси­онной среды. Таким образом, при использовании в качестве стабилизатора коллоидного ПАВ реализуется адсорбционно–сольватный фактор устойчивости. Напри­мер, чтобы получить суспензию сажи в воде (рис 15.1), используют олеат натрия, который неполярным углево­дородным радикалом адсорбируется на частицах сажи, а полярная группа, направленная в сторону воды, ею гидратируется и тем самым поверхность частицы становит­ся смачиваемой водой (гидрофилизируется), суспензия стабилизируется. Аналогичный процесс мы проводим, когда моем руки, загрязненные сажей, или моем посуду после жирной пищи.

Олеат натрия можно использовать и для стабилиза­ции суспензии силикагеля (SiO₂) в бензоле (неполярная жидкость) (рис. 15.2).

В этом случае олеат натрия будет адсорбироваться на поверхности твердой частицы своей полярной группой, направляя углеводородный радикал в сторону бензола. Тем самым поверхность силикагеля становится гидрофоб­ной, бензол ее смачивает, и суспензия стабилизируется.

 

 

 

Но лучший стабилизирующий эффект достигается при более специфическом выборе ПАВ. Подбор ПАВ для ста­билизации суспензий различного типа сходен с подбором ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Если необходимо стабилизировать суспензию полярных частиц в неполярной жидкости, то используется колло­идное ПАВ с низкими значениями чисел ГЛБ, обычно 3–6, т. е. малорастворимые в воде, известны случаи стаби­лизации ПАВ с 30 атомами углерода в цепи.

В пищевой промышленности для этих целей исполь­зуются липоиды (лецитин), ланолин и т. д.

Если необходимо стабилизировать суспензию неполяр­ных частиц в полярной жидкости, то применяются кол­лоидные ПАВ с высокими значениями чисел ГЛБ, обычно 8–13, т. е. достаточно хорошо растворимые в воде, такие соединения содержат 10–18 атомов углерода в цепи.

Максимум стабилизирующих свойств наблюдается у ПАВ с 14–16 атомами углерода (так называемый макси­мум Донана). В пищевой промышленности для этих це­лей часто используют пропиловый спирт, соли высших карбоновых кислот и т. д.

 

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВМС

И ПОЛИЭЛЕКТРОЛЯТОВ

 

Строго говоря, в качестве стабилизаторов дисперсных систем, в том числе и суспензий, молено использовать только такие ВМС, которые являются поверхностно–активными веществами и их надо было бы называть поверхностно–активными высокомолекулярными веществами (ПАВМС или ВМПАВ). Чтобы оказать защитное действие, молеку­лам полимера необходимо адсорбироваться на поверхнос­ти частицы, а это может произойти только в том случае, если при этом уменьшится поверхностное натяжение на границе раздела фае. Эти вещества отличаются от колло­идных ПАВ тем, что для них характерно возникновение структурно–механического фактора устойчивости.

Таким образом, если в качестве стабилизатора приме­няются ВМС, то механизм их действия аналогичен меха­низму коллоидной защиты лиофобных золей: адсорбция молекул полимера на твердых частицах приводит к воз–никновению защитной оболочки, обладающей механичес­кой прочностью и упругостью, причем отмечено, что ад­сорбция ВМС является необратимой. Для этого вокруг частицы должен существовать избыток макромолекул, необходимый для образования насыщенного монослоя или даже полислоя. Электронномикроскопические снимки не­посредственно доказали наличие таких защитных оболо­чек. Например, адсорбционные слои метилцеллюлозы на частицах полистирола имеют толщину 70–100 . Таким образом, возникает структурно–механический фактор устойчивости, полностью предотвращающий коагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта. Он играет главную роль в обеспечении агрегативной устойчивости суспензий. Обычно он сопровождает­ся энтропийным фактором устойчивости, вклад которо­го достаточно велик. Это обусловлено тем, что при сбли­жении частиц, стабилизированных молекулами ВМС, уменьшается число возможных конформаций молекул по­лимера, а это приводит к уменьшению энтропии системы, поэтому частицы стремятся оттолкнуться друг от друга.

Если в качестве ВМС используются полиэлектролиты, то к этим двум факторам добавляется и третий – элект­ростатический фактор устойчивости. Полиэлектролиты–стабилизаторы применяются для водных суспензий, т. е. для стабилизации гидрофобных частиц в полярных жид­костях. Наиболее распространенные водорастворимые по­лиэлектролиты – это белковые вещества, альгинаты, карбоксиметилцеллюлоза, алкилполиамин и т. д.

 

СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ

 

При использовании ВМС в качестве стабилизаторов суспензий надо помнить о таком явлении как сенсиби­лизация. Сенсибилизация – явление уменьшения агрегативной устойчивости системы при добавлении к ней высокомолекулярных соединений.

Ранее это явление рассматривалось в отношении лиофобных золей, но оно характерно и для суспензий. Сенси­билизация, как правило, обнаруживается при малом со­держании макромолекул в дисперсионной среде и объясня­ется образованием между отдельными частицами мостиков стабилизатора. В суспензиях каолина и полистирола воз­никновение мостиков доказано электронномикроскопичес­кими исследованиями: концентрациям метилцеллюлозы до 1–2% от веса твердой фазы обычно отвечает неустойчивое, а выше 4% – устойчивое состояние суспензии.

Таким образом, решающее влияние на защитное дей­ствие макромолекул оказывает соотношение между ко­личеством полимера и удельной поверхностью частиц.

Для стабилизации суспензии полистирола необходима поверхностная концентрация метилцеллюлозы 6•10 ⁴ г/м². Аналогичные соотношения установлены и для других ВМС.

В заключение можно сказать, что агрегативная ус­тойчивость суспензий в сильной степени зависит от спе­цифического взаимодействия макромолекул с поверхно­стью частиц дисперсной фазы. Следовательно, выбор ВМС для стабилизации суспензии носит, во многом, эмпири­ческий характер.

 

МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

Задача разрушения суспензий является весьма насущ­ной, так как сточные воды промышленных и сельскохо­зяйственных предприятий, а также бытовые стоки – это,

в той или иной степени, разбавленные суспензии. Сле­довательно, очистка сточных вод от твердых частиц – это разрушение суспензий. Существует множество мето­дов разрушения суспензий.

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Они основаны на отделении вещества дисперсной фазы от дисперсионной среды, возможном благодаря седиментационной неустойчивости суспензии. Для этого используют различные устройства: отстойники, фильтры, центрифуги. Механические методы разрушения используются, как пра­вило, на завершающем этапе, когда агрегативная устойчи­вость суспензий уже отсутствует или значительно снижена.

 

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

 

Они основаны на изменении температуры суспензии. Их можно свести к двум типам:

1) замораживание суспензий с последующим их оттаи­ванием;

2) высушивание суспензий (по сути, их концентрирова­ние).

Эти методы требуют больших энергетических затрат и, как правило, не используются в промышленных масшта­бах, когда требуется разрушить большие объемы суспензий.

 

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

 

Эти методы основаны на использовании химических реагентов, поэтому их часто называют реагентными ме­тодами разрушения суспензий. Химическое действие ре­агентов может быть различным, но цель добавления хи­мических реагентов одна – понизить агрегативную ус­тойчивость суспензии, т. е. уничтожить потенциальный барьер коагуляции, Е зависимости от факторов устойчи­вости, которые реализовывались в данной суспензии, и стабилизаторов, которые в ней присутствовали, подбира­ют необходимые химические реагенты.

Для эффективного разрушения суспензии надо пред­варительно выяснить ее фактор устойчивости.

Если главный фактор устойчивости суспензии – элек­тростатический, т. е. обусловлен наличием на поверхнос­ти твердой частицы ДЭС и дзета–потенциала (суспензия стабилизирована низкомолекулярным неорганическим электролитом), то необходимо использовать химические реагенты, уменьшающие абсолютное значение дзета–потенциала частицы вплоть до нуля. В качестве таких химических реагентов используются индифферентные электролиты. Кстати сказать, плодородные дельты боль­ших рек – Тигра, Евфрата, Нила, Волги и т. д. – воз–никли в результате того, что частички плодородных почв и ила, присутствовавшие в речной воде в виде суспензии, при встрече с соленой водой морей и океанов (содержав­шей ионы Na⁺, Сl, К⁺ и т. д.) коагулировали и выпали в осадок, образовав дельты рек.

Если в суспензии в качестве стабилизатора использовалось коллоидное ПАВ, т. е. реализовывался адсорбционно–сольватный фактор устойчивости, то химический реагент должен его снизить. Действовать можно в двух направлениях:

1) изменить химическую природу стабилизатора; на­пример, из растворимого в воде олеата натрия получить нерастворимый олеат кальция:

2C₁₇H₃₃COONa + СаС1₂ = (С₁₇Н₃₃СОО)₂Са + 2NaCl;

2) не изменяя химической природы стабилизатора, изменить строение адсорбционного слоя. Например, умень­шить смачиваемость частицы дисперсионной средой, об­разуя на ней второй слой молекул ПАВ, противоположно ориентированных.

Если суспензия стабилизирована амфолитным поли­электролитом, то эффективным является приближение рН–среды к его изоэлектрической точке.

Для разрушения суспензий, частицы которых имеют заряд, широко используется гетерокоагуляция – слипа­ние разнородных частиц. Если в исходной суспензии час­тицы были положительно заряжены, то в нее полезно добавить многозарядные анионы (в виде хорошо раство­римых солей).

В том случае, когда в исходной суспензии присутству­ют только отрицательно заряженные частицы дисперс­ной фазы, эффективным является добавление солей алю­миния или железа, например, сульфата алюминия или хлорида железа. В результате гидролиза этих солей обра­зуются положительно заряженные золи гидроксидов алю­миния или железа, которые вызывают взаимную коагу­ляцию взвешенных отрицательных частиц суспензии.

Весьма эффективно применение коагулянтов с повы­шенной основностью, например, гидроксосульфатов и гидроксохлоридов железа и алюминия. Они проявляют себя в виде полимерных гидроксокомплексов, которые дают прочные крупные хлопья. Наиболее оптимальными являются смеси этих солей.

В процессе гидролиза коагулянта образуются положи­тельно заряженные полиядерные акзагидроксокомплексы металла, которые слипаются с отрицательно заряжен­ными частицами суспензии.

Из хлорсодержащих соединений алюминия наиболь­шее распространение получили хлорид алюминия и гидроксохлориды алюминия. Гидроксохлориды алюминия – это соединения переменного состава, которые выражаются об­щей формулой [А1(ОН) _{3 - x} Cl _x] _n, где х меняется от 0 до 3.

В настоящее время преимущественно используется пентагидроксохлорид алюминия А1₂(ОН)₅С1, так как он имеет меньшую кислотность, интенсифицирует хлопьеобразование, дает малое остаточное содержание алюми­ния, его растворы не требуют использования нержавею­щих сталей и противокоррозийной защиты аппаратов и оборудования.

Эффективным методом понижения агрегативной ус­тойчивости суспензий является сенсибилизация. Для это­го обычно используются флокулянты –линейные по­лимеры с длиной цепочки до 1 мк, несущие полярные группы на обоих концах цепи. Длинная молекула поли­мера присоединяется двумя концами к двум разным ча­стицам дисперсной фазы, скрепляя их углеводородным мостиком. Образуются флокулы – рыхлый хлопьевид­ный осадок.

Частицы различного происхождения имеют различное распределение зарядов, гидрофильных и гидрофобных обла­стей на поверхности. Вследствие этого не представляется возможным применение некоего универсального полимер­ного флокулянта, необходим набор флокулянтов.

Полиакриламид, ПВС, ПДМДА являются наиболее ши­роко применяемыми флокулянтами, выпускаемыми оте­чественной промышленностью. Из зарубежных флокулян­тов, имеющих доступ на российский рынок, высокими фло–кулирующими свойствами обладают японские санфлоки:

N –520p, АН –70р, AS –З0р, А1 –310р, А1 –110р, СН –799.

Необходимая концентрация флокулянта в суспензии зависит от концентрации в ней взвешенных частиц. Ко­личество флокулянта должно составлять 0,01–2% от мас­сы твердой фазы. В противном случае может быть достиг­нут обратный эффект – произойдет коллоидная защита взвешенных частиц.

Способ внесения полимера существенно сказывается на результатах коагуляции суспензии. Установлено, что лучше всего флокулянт добавлять дробно в виде двой­ной добавки, т. е. вся доза флокулянта первоначально добавляется к половине объема суспензии, а через неко­торое время этот раствор сливается со второй половиной исходной суспензии.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

 

Эти методы используются в тех случаях, когда частицы в суспензиях имеют заряд, т. е. стабилизированы ионогенными веществами. В разрушаемой суспензии создается раз­ность потенциалов, приводящая к направленному движе­нию заряженных частиц и осаждению их на соответствую­щем электроде. Эти методы требуют больших энергетических затрат и специального оборудования и обычно не использу­ются для разрушения больших объемов суспензий.

 

ПАСТЫ

 

Пасты – это высококонцентрированные суспензии, обладающие структурой. Структура – это простран­ственная сетка, образованная частицами дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная среда.

Можно сказать, что пасты занимают промежуточное положение между порошками и разбавленными суспен­зиями. Их и получают, соответственно:

• растирая порошок в жидкости, обладающей достаточ­но большой

вязкостью; например, некоторые сорта зубной пасты готовят путем

смешивания мела с вяз­кой жидкостью, полученной путем варки крахмала

в глицериновом водном растворе с добавлением неболь­шого количества

ПАВ;

• в результате седиментации разбавленной суспензии.

 

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СУСПЕНЗИЯХ

 

Определяющей характеристикой пасты, независимо от метода получения, является наличие в ней структурно–пространственного каркаса, образованного сцеплением между собой частиц дисперсной фазы. Минимальную кон­центрацию, при которой возникает такая структура, называют критической концентрацией структурообразования.

Возможность образования структуры определяется соотношением между относительной силой тяжести час­тицы (V •(р –р ) • g) и силой сцепления ее с соседними частицами ( Р_к) .Чем больше преобладают силы сцепления между соседними частицами над силой тяжести, тем более прочная образуется структура.

На структурообразование влияют следующие основ­ные факторы:

• агрегативная устойчивость разбавленной суспензии, из которой получают

пасту (величина Р_к);

• концентрация частиц дисперсной фазы;

• размеры частиц дисперсной фазы (ее дисперсность);

• форма частиц дисперсной фазы.

 

РОЛЬ АГРЕГАТИВНОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

 

Как было установлено выше, разбавленные суспензии являются седиментационно неустойчивыми системами, в них самопроизвольно образуется осадок, объем которого определяется не только количеством частиц, но и тем, в какой суспензии происходит седиментация – в агрегативно устойчивой или агрегативно неустойчивой. В агрегативно устойчивых суспензиях в результате седимента­ции образуется компактный осадок с упаковкой частиц дисперсной фазы, близкой к плотнейшей. Структура в таких осадках или не образуется вовсе или очень непроч­ная, так как Р_к (сила сцепления в контакте частиц) близ­ка к нулю, поскольку межчастичные связи в агрегативно устойчивых суспензиях практически отсутствуют.

По мере снижения агрегативной устойчивости меж­частичные взаимодействия нарастают, Р_к увеличивает­ся, что способствует возникновению и упрочнению струк­туры.

Обычно структуру в системе количественно оценива­ют с помощью реологических кривых – зависимости ско­рости деформации ( ) от напряжения сдвига (Р). Подроб­нее см. раздел 11.3.

 

РОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ

ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

Зависимость структуре образования от концентрации суспензии имеет сложный характер. Весь концентраци­онный интервал делится на три части, разграничиваю­щие качественно различные состояния системы. В облас­ти малых концентраций (1-я часть) суспензия является бесструктурной. В области средних концентраций, но мень­ших, чем критическая концентрация структурообразования (2-я часть), появляются отдельные структурные эле­менты (агрегаты), не связанные между собой. Такую сис­тему можно назвать структурированной жидкообразной системой (Р_т = 0). В области концентраций больших или равных критической концентрации структурообразования (3-я часть) суспензии имеют предел текучести, т. е. в них возникает и развивается структура. Такую систему молено назвать структурированной твердообразной системой (Р_т > О).

 

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

(СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ)

НА СТРУКТУРООБРА30ВАНИЕ В СУСПЕНЗИЯХ

 

Увеличение дисперсности суспензии способствует структурообразованию. Этот процесс резко интенсифи­цируется с уменьшением размера частиц. И лишь при переходе в область размеров частиц коллоидной дисперс­ности по мере возрастания степени их участия в броунов­ском движении процессу структурирования начинает со­путствовать альтернативный — самопроизвольное дис­пергирование (дезагрегирование). Наибольший размер частиц, при котором возможно образование структуры, называется критическим (d_Kp). Его можно определить из условия соизмеримости сил сцепления между частицами в структурной сетке и их весом. Хотя в каждом конкрет­ном случае прочность элементарных контактов между ча­стицами и соответственно прочность возникающих в них структур зависят от физических свойств и химической природы поверхности твердой фазы, состава и свойств дисперсионной среды, наибольший размер частиц, при котором начинает проявляться агрегирование и образова­ние пространственной структуры, составляет 10 ⁶ –10 ⁴ м.

 

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЧАСТИЦ

НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В СУСПЕНЗИЯХ

 

Если частицы анизометричны и имеют форму нитей (палочек), пластинок или цепочек, длина которых суще­ственно превышает ширину и толщину, но абсолютное значение длины частиц весьма мало, сцепление частиц будет происходить по углам, ребрам и другим неровнос­тям, на участках наибольшей концентрации свободных молекулярных сил, где происходит разрыв адсорбционно–сольватных оболочек дисперсионной среды, необходимый для возникновения межчастичных связей.

В основе образования этих структур лежит обычный коагуляционный механизм, но только места сосредоточе­ния молекулярных сил должны быть распределены пре­имущественно по углам и ребрам частиц твердой фазы.

Чем сильнее анизометрия частиц и агрегатов, тем при меньшей концентрации частиц появляется предел текуче­сти (т. е. возникает структура), например, у суспензии кизельгура (мягкая пористая горная порода), частицы которого имеют вид пленкоподобных неправильных пласти­нок, предел текучести наблюдается уже при концентра­ции около 3,0% (об). Нитевидные молекулы органических полимеров, особенно с полярными группами, придающи­ми жесткость макромолекулам, образуют твердообразные структуры в водной среде при очень малых концентраци­ях полимера (агар 0,1%, желатин 0,5%). Придание же частицам формы, близкой к сферической, способствует достижению высоких значений концентраций при сохра­нении текучести суспензии (т. е. противодействует структурообразованию).

Таким образом, мы рассмотрели влияние на структурообразование каждого из четырех факторов по отдель­ности. Совместное их действие можно оценить по величи­не предельного напряжения сдвига (Р_т), рассчитанного по следующей приближенной зависимости:

 

Р_т = . (15.1)

 

где а –коэффициент, учитывающий геометрию упаков­ки частиц, а 1; _CB –среднее значение силы сцепления в контакте; – функция концентрации; ₀ – средний характерный размер частиц.

Из уравнения видно, что предельное напряжение сдви­га (Р_т), также как и вязкость системы, резко возрастает с уменьшением среднего характерного размера. Величина =n характеризует число контактов между частицами в единице объема; это число обратно пропорцио­нально квадрату радиуса частиц. Сила же сцепления между частицами _CB растет пропорционально радиусу частиц. Поэтому в целом Р_т растет обратно пропорционально радиусу частиц .

 

СВОЙСТВА ПАСТ

 

Так как пасты – структурированные системы, опре­деляющими являются их структурно-механические свой­ства, которые характеризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность. Пасты обладают упруго–вязко–пластическими свойствами.

Пасты имеют коагуляционную структуру, поэтому их механические свойства определяются, главным образом, механическими свойствами межчастичных жидких про­слоек. Через эти прослойки действуют силы притяжения между частицами, зависящие от расстояния между ними (толщины прослоек) и обусловленные ван–дер–ваальсовыми и водородными связями. Прочность коагуляционного контакта составляет величину порядка 10 ¹⁰ Н и ниже. Причем, прочность контакта могут уменьшать силы от­талкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную устойчивость суспензии, именно поэтому струк­туры в агрегативно устойчивых суспензиях не образуют­ся или, если и образуются, то очень непрочные.

Таким образом, механические свойства паст обусловли­ваются совокупностью двух различных основных причин:

1) молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в

местах контакта, там, где толщина прослоек дисперсионной среды между

ними минимальна. В предель­ном случае возможен полный фазовый

контакт. Коагуляционное взаимодействие частиц вызывает образование

струк­тур с выраженными обратимыми упругими свойствами;

2) наличием тончайшей пленки в местах контакта между частицами.

Коагуляционные структуры отличаются резко выражен­ной зависимостью структурно–механических свойств от ин­тенсивности механических воздействий. Примером исклю­чительной чувствительности структурно–механических свойств коагуляционных структур к механическим воздей­ствиям является зависимость равновесной эффективной вязкости (р) от скорости деформации или напряжения сдвига Р. Уровень (р) отвечает вполне определенной степе­ни разрушения трехмерного структурного каркаса в усло­виях деформации системы. Диапазон изменений (р) = f(P) может достигать 9–11 десятичных порядков.

Для паст, так же как и для любой коагуляционной структуры, характерны следующие свойства: невысокая механическая прочность (обусловлена малой прочностью коагуляционного контакта – порядка 10 ¹⁰ Н и ниже), тиксотропия, синерезис, ползучесть, пластичность, набу­хание (см. раздел 11.1).

Рассмотрим наиболее типичные из этих свойств при­менительно к пастам.

 

ТИКСОТРОПИЯ

Восстановление структуры обычно контролируется по увеличению вязкости системы, поэтому явление тиксотропии молено определить как уменьшение вязкости сис­темы во времени при наложении нагрузки и постепенный рост вязкости после снятия нагрузки. Чем медленнее вос­станавливается структура (вязкость) после снятия нагруз­ки или чем медленнее она разрушается (уменьшается вяз­кость) при данном напряжении сдвига, тем сильнее выра­жено явление тиксотропии.

Тиксотропия пасты имеет большое практическое зна­чение. В подтверждение этого рассмотрим некоторые при­меры. Тиксотропные свойства бентонитовых глин обуслов­ливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых промывочных растворов в нефтедо­бывающей промышленности. При работе бура такие ра­створы ведут себя как типичные жидкости; поток бурово­го раствора, нагнетаемого в скважину, выносит на поверхность грубодисперсные частицы выбуренной породы. Приостановке бура (например, в случае необходимости удале­ния труб) возникает опасность быстрого оседания – седи­ментации выбуренной породы и в результате – заклини­вания бура, т. е. серьезной аварии. Тиксотропные свой­ства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуляционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствую­щей их оседанию. При возобновлении работы бура коагуляционная структура глинистых частиц легко разрушает­ся, и система вновь приобретает жидкообразные свойства.

Вместе с тем учет тиксотропных свойств грунтов, осо­бенно оводненных глинистых, чрезвычайно важен при раз­работке технических условий и осуществлении строитель­ства зданий, мостов, при прокладке дорог. Катастрофичес­кие провалы на некоторых песчаных грунтах, пропитанных подпочвенной водой (зыбучие пески), также объясняются тиксотропией суспензий: они остаются неподвижными до нарушения их покоя и приобретают текучесть при меха­ническом воздействии на них. По этой же причине строи–тельные растворы доставляют на стройку в специальных машинах, снабженных перемешивающим устройством, предупреждающим преждевременное схватывание раство­ра, при перевозках на необорудованных машинах необхо­димо создавать условия постоянного движения в системе.

Тиксотропные свойства структуры пигментов в мас­ляных красках обусловливают технические свойства это­го широко используемого материала: перемешивание обес­печивает разрушение коагуляционной структуры пигмен­та, легкоподвижность материала и тем самым возможность нанесения его требуемым тонким слоем, тогда как быст­рое восстановление структуры препятствует отеканию краски с вертикальной поверхности.

Тиксотропия способствует эффективному проведению ряда технологических операций. Например, тиксотропия позволяет проводить вибрационную обработку материалов_, при которой происходит разрушение структуры, что облегчает процессы перемешивания, обеспечивает плот­ную упаковку, снятие внутренних напряжений и т. д.

Несмотря на огромное практическое значение, стро­гой количественной теории тиксотропии до настоящего времени не существует.

 

СИНЕРЕЗИС

Синерезис обусловлен нарастанием числа и прочности контактов между частицами во времени, а в некоторых случаях – появлением кристаллизационных мостиков, соединяющих частицы. Такой процесс срастания частиц может, в предельных случаях, привести к образованию монолитных сплошных тел. Другими словами, в резуль­тате синерезиса коагуляционная структура пасты может самопроизвольно перейти в конденсационно–кристалли–зационную с «выжиманием» жидкости. Синерезису бла­гоприятствуют все факторы, способствующие коагуляции, а именно: увеличение концентрации индифферентного электролита, повышение температуры, введение в систе­му десольватирующих агентов и т. д.

На практике превращение пасты (коагуляционная структура) в монолитное твердое тело (конденсационно–кристаллизационная структура) провоцируется и уско­ряется путем высушивания, прессовки и спекания пас­ты. Например, обжиг гончарных изделий.

Но синерезис играет и отрицательную роль, когда при хранении уплотняется структура, что приводит к ухуд­шению качества продукта или даже к его полной непри­годности. Так, при длительном хранении зубной пасты в результате синерезиса образуются комки с выделением жидкости, что делает зубную пасту непригодной к упот­реблению. Аналогичный процесс происходит при хране­нии крем–пудры. Каждый из нас мог бы привести еще множество примеров отрицательной роли синерезиса, но важно сделать вывод, что замедляют его все те факторы, которые замедляют коагуляцию.

 

НАБУХАНИЕ

Если в пастах частицы связаны довольно прочно, то пасты набухают сравнительно незначительно. Если связи слабые, то в такой пасте структура разрушается и система переходит в разбавленную суспензию (уже бесструктур–ную систему). Если паста имеет очень прочную структуру (т. е связи между частицами очень прочные), то поглоще­ние дисперсионной среды приводит к пластификации, т. е. к резкому понижению прочности, сопровождающемуся, однако, возрастанием пластических свойств пасты.

 

СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

 

Пасты, в отличие от разбавленных суспензий, явля­ются седиментационно устойчивыми системами, т. е. они сохраняют неизменным во времени распределение частиц по объему системы, способны противостоять силе тяжес­ти. Главным фактором, ее обеспечивающим, является фиксация положения частиц дисперсной фазы в сплош­ной пространственной структурной сетке в результате возникновения коагуляционных или атомных контактов между частицами.

 

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

 

Понятие «агрегативная устойчивость» применитель­но к пастам существенно отличается от этого понятия применительно к разбавленным суспензиям.

Во–первых, для разбавленных суспензий (бесструктур­ные системы) существует только два четко выраженных состояния (без каких–либо промежуточных): агрегативной устойчивости и агрегативной неустойчивости, а в па­стах возможно множество промежуточных состояний, связанных с ослаблением или усилением связей в струк­турной сетке. Крайними будут, с одной стороны, состоя­ние, соответствующее образованию и максимальному уп­рочнению пространственной структурной сетки (уровень вязкости практически неразрушенной структуры ₀ и ее прочности Р_т = Р ), с другой стороны – состояние пре­дельного разрушения структуры (уровень вязкости соот­ветствует наименьшему значению вязкости предельно разрушенной структуры _min и прочность Р_т = 0).

Во–вторых, ласты зачастую получают концентрирова­нием разбавленных суспензий, потерявших свою агрегативную устойчивость, т. е. образование и упрочнение структуры паст – это результат отсутствия агрегативной устойчивости в разбавленных суспензиях.

Таким образом, в пастах, в классическом смысле сло­ва, агрегативная устойчивость изначально отсутствует. Однако этот термин для паст используют, чтобы оценить способность последних сохранять неизменной во времени свою пространственную структуру (в первую очередь – толщину прослоек жидкости и прочность контакта в струк­турной сетке).

В коагуляционных структурах оболочки жидкой дис­персионной среды при сближении частиц полностью не вытесняются, а принимают минимальную толщину, близ­кую к бимолекулярному слою. Структурирование в са­мих пленках дисперсионной среды препятствует даль­нейшему уменьшению толщины прослоек. Оно усилива­ется при использовании стабилизаторов.

В качестве стабилизаторов паст применяют:

1) анион­ные коллоидные ПАВ;

2) неионогенные коллоидные ПАВ;

3) поверхностно–активные полимеры.

При использовании таких стабилизаторов реализуют­ся, в первую очередь, адсорбционно–сольватный и струк­турно–механический факторы устойчивости. Являясь ПАВ, они адсорбируются на поверхности твердой части­цы и снижают свободную поверхностную энергию, тем самым, делая систему более устойчивой. Но с другой сто­роны, обладая длинноцепочечным углеводородным ради­калом, эти вещества способны образовывать определен­ную структуру в адсорбционном слое, придающую меха­ническую прочность и упругость защитной оболочке.

Смесь анионоактивного и неионогенного ПАВоблада­ет синергетическим эффектом стабилизирующего дей­ствия. Механизм этого эффекта обусловлен образованием смешанного адсорбционного слоя, в результате чего уве­личивается вклад адсорбционной и структурной состав­ляющих факторов устойчивости структурно–механичес­кого барьера.

Если стабилизатор является ионогенным веществом, то в дополнение к выше отмеченным реализуется элект­ростатический фактор устойчивости, связанный с образо­ванием ДЭС на поверхности частицы и возникновением электростатических сил отталкивания.

 

РАЗРУШЕНИЕ ПАСТ

 

Никакие массообменные процессы в структурирован­ных системах нельзя успешно осуществить, не разрушив предварительно в них структуру.

Разрушение пространственных структур в пастах – достаточно сложный процесс, характеризуемый тем, что по мере увеличения степени разрушения существенно изменяется и сам механизм распада структуры.

Можно выделить три основных этапа разрушения структуры:

1) разрушение сплошной структурной сетки, сопро­вождающееся распадом структуры на отдельные, доста­точно крупные агрегаты;

2) разрушение агрегатов, сопровождающееся умень­шением их размера и увеличением их числа, высвобож­дением из агрегатов и увеличением числа отдельных час­тиц, образованием новых агрегатов;

3) предельное разрушение структуры при полном от­сутствии агрегатов из частиц.

Четкая граница между этими этапами размыта, т. е. переход из одного состояния структуры в другое по мере постепенного увеличения интенсивности внешних воздей­ствий, разрушающих структуру, происходит постепенно.

Однако каждый из этих этапов специфичен. Условия разрушения сплошной структурной сетки кардинальным образом отличаются от условий разрушения агрегатов, «плавающих» в дисперсионной среде, а значит, и пара­метры внешних воздействий, необходимых для разруше­ния сплошной структурной сетки и отдельных агрегатов их частиц, не могут не быть существенно различными.

Количественно изменение состояния структуры пас­ты оценивается совокупностью реологических характе­ристик, прежде всего вязкостью , напряжением сдвига Р, упругостью Е и периодом релаксации . Наиболее резкоe, на много десятичных порядков, изменение с разру­шением структуры претерпевают вязкость и период ре­лаксации.

Для разрушения структуры используются следующие воздействия:

• механическое помешивание;

• вибрация, более эффективной является поличастот­ная вибрация с

частотой от 10 Гц до 10 кГц;

• ультразвук;

• нагревание;

• электрические и магнитные поля;

• изменение природы поверхности твердых частиц (глав­ным образом, путем добавления коллоидных ПАВ). Часто сочетают механические вибрационные воздей­ствия с ультразвуковыми, тепловыми воздействиями.

Такое сочетание не только существенно изменяет энер­гию активации процесса разрушения структуры, но в значительной степени сказывается на свойствах конеч­ного продукта.

Совместное действие на пасту вибрации и, например, ультразвука приводит к гораздо большему разрушению структуры и вместе с тем к достижению существенно более высокой ее однородности, чем под влиянием каж­дого из этих видов воздействий с той же интенсивностью в отдельности.

Важным является сочетание механических воздей­ствий с физико–химическим управлением прочностью сцепления в контактах между частицами путем измене­ния природы поверхности частиц.

Модифицирование твердых фаз добавками ПАВраз­личного строения является универсальным методом ре­гулирования силы и энергии взаимодействия в контак­тах между частицами. Этот эффект – следствие сочета­ния двух факторов:

• раздвижения частиц на двойную толщину адсорбци­онного слоя;

• снижения поверхностного натяжения на поверхности частиц.

В последние годы все шире стали применяться мето­ды модифицирования поверхности частиц не индивиду­альными ПАВ, а смесями ПАВ различных видов, напри­мер, ионогенных и неионогенных.

При правильном подборе нескольких видов ПАВобна­руживается синергизм, т. е. взаимное усиление их действия.

Исключительная эффективность совместного действия вибрации и ПАВ объясняется характером разрушения струк­туры при вибрации и особенностями действия ПАВ. ПАВ, адсорбируясь в первую очередь на наиболее энергетически активных участках микромозаичной поверхности частиц, ослабляют преимущественно наиболее прочные коагуляционные контакты. Введение в систему ПАВ из расчета обра­зования монослоя на поверхности частиц позволяет почти в 500 раз понизить интенсивность вибрации, необходимую для достижения предельного разрушения структуры.

Не менее эффективно для ряда систем сочетание вибра­ции, добавок ПАВ и температурных воздействий. В тех случаях, когда вязкость структурированных систем весьма чувствительна к изменению температуры, такое комплекс­ное воздействие наиболее целесообразно. Многие пищевые, в особенности кондитерские массы (шоколадные, пралиновые и т. п.), относятся именно к такого рода системам.

 

ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ

 

Свойства суспензий, а также рассматриваемых в гла­ве 5 порошков в значительной степени определяются раз­мерами частиц дисперсной фазы. Дисперсионный ана­лиз – это совокупность методов измерения размеров час­тиц. При дисперсионном анализе определяют также дисперсность D и удельную поверхность S_УД.

Методы дисперсионного анализа можно разделить на три группы.

1) Методы измерения параметров отдельных частиц (раз­меров, массы и т. д.)

с последующей статистической обработкой результатов большого числа

измерений:

• методы, в которых линейные размеры частиц измеряют с помощью

оптического микроскопа, который обеспечи­вает предел измерений от 1 мкм

до нескольких милли­метров, и электронного микроскопа, позволяющего

измерять размеры частиц от 1 нм до нескольких микрон;

• методы, основанные на измерении электрического со­противления при

пропускании суспензии порошка че­рез тонкий канал с помощью счетчиков

Культера, по­зволяющие измерять размеры частиц от ОД до 100 мкм;

• методы, в которых измеряют изменения светового потока при пропускании

суспензии через тонкий ка­нал, вызванные попаданием в этот канал частиц

дис­персной фазы. Позволяют измерять размеры частиц от 5 до 500 мкм;

• методы, в которых измеряют интенсивность света, рассеянного единичной

частицей, с помощью ультрамикроскопа или поточного ультрамикроскопа

Дерягина-Власенко (размеры частиц от 2 до 500 нм).

2) Методы, основанные на механическом разделении дисперсной системы

Твердые частицы в силу физико–химической неоднородности сво­ей поверхности обладают лиофобно-лиофильной мозаичностью. Поэто­му прочность контактов, возникающих между одними и теми же части­цами, может резко (на порядки величин) различаться в зависимости от того, по каким участкам такой контакт осуществляется. Прочность контакта максимальна, если оба участка лиофобны, и минимальна – в случае возникновения контакта по лиофильным участкам.

на несколько классов по крупно­сти частиц:

• ситовый анализ (размеры частиц от 0,05 до 10 мм);

• в разделение частиц в потоке газа или жидкости (раз­меры частиц от 0,1

до нескольких миллиметров).

3) Методы, основанные на изучении свойств ансамбля частиц:

• методы седиментационного анализа, основанные на регистрации

кинетики накопления осадка. Седиментометр Фигуровского позволяет

определить размеры частиц от 1 до 500 мкм. Применение центрифуг

по­зволяет снизить предел измерения до 0,1 мкм, а ульт­рацентрифуг –

до 1 –100 нм (в этом случае можно измерять даже размеры крупных

молекул);

• методы рассеяния света малыми частицами (нефеломет­рия и турбодиме –

трия), методы неупругого рассеяния, а также рассеяния рентгеновских

лучей, нейтронов;

• адсорбционные методы, используемые для определе­ния удельной

поверхности частиц. Измеряют коли­чество адсорбированного вещества в

мономолекуляр­ном слое. Наиболее распространен метод низкотем­ –

пературной газовой адсорбции с использованием азота (аргона, криптона)

в качестве адсорбата. Удельную поверхность высокодисперсной твердой

фазы часто определяют методом адсорбции из раствора, Адсорбатом при

этом служат красители, ПАВ или другие вещества, малые изменения

концентрации, которых легко определяются с достаточно высокой

точнос­тью. Удельную поверхность частиц можно находить также по

теплоте адсорбции ( или смачивания ). По­точные микрокалориметры

позволяют проводить измерения, как в газовой, так и в жидкой среде.

Разно­образные адсорбционные методы дисперсионного ана­лиза позволя –

ют определять удельные поверхности 10 –10³ м ²/г, что примерно

соответствует размерам частиц от 10 до 1000 нм;

• методы, основанные на исследовании газопроницае­мости слоя анализ –

ируемого вещества при фильтровании через него воздуха при атмосфер –

ном давлении или в вакууме. Эти методы позволяют определять

удельную поверхность;

• в ряде случаев дисперсность порошков измеряют по ско­рости раствор–

ения теплофизическим, магнитным и дру­гим характеристикам системы,

связанным с размером частиц дисперсной фазы или межфазной

поверхности. Во всех упомянутых методах дисперсионного анализа

получают, как правило, интегральную характеристику, позволяющую

судить о некоторых средних параметрах системы. В некоторых случаях

удается определить также дифференциальную функцию распределения

числа час­тиц (их объема, массы) по размерам.

Рассмотрим подробнее такие широко распространен­ные методы дисперсионного анализа, как ситовый и седиментационный.

 

СИТОВЫЙ АНАЛИЗ

 

Ситовый анализ – это определение гранулометри­ческого и фракционного состава измельченных сыпучих материалов. Он применим для материалов с размерами частиц 0,05–10 мм.

Ситовый анализ осуществляют просеиванием проб ма­терила через набор стандартных сит с квадратными, реже с прямоугольными отверстиями, размер которых последо­вательно уменьшается сверху вниз. В результате материал распределяется на фракции, в каждой из которых части­цы незначительно различаются размерами. Число фрак­ций, получаемых при просеивании через набор из п сит, составляет п + 1 и не должно быть менее 5 и более 20.

Сита изготавливают из плетеных или тканевых се­ток (стальная, медная, латунная проволока, шелковая, капроновая, нейлоновая нить) либо штампуют из ме­таллических листов (решетка). Для анализа очень тон­ких порошков с размерами частиц 0,005–0,1 мм приме­няют микросита, представляющие собой никелевую фольгу с расширяющимися книзу (для предотвращения забивания) квадратными отверстиями. Суммарная пло­щадь отверстия составляет 0,36% от общей площади поверхности сита (эта величина постоянна для всего набора сит).

Сита обозначаются номерами, соответствующими раз­мерам сторон отверстий, выраженным в мм (например, сито № 5 имеет отверстие с длиной стороны 5 мм). Ситовый анализ можно проводить вручную или механически. В за­висимости от крупности, свойств материала и необходимой точности анализ проводят сухим или мокрым способом.

 

СУХОЙ СПОСОБ

СИТОВОГО АНАЛИЗА

 

При сухом способе проба материала предварительно перемешивается и высушивается при 105–110°С. Мини­мальная масса пробы определяется размерами наиболее крупных частиц, например, для частиц размерами 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 3,0; 5–10 мм минимальная масса составляет соответственно 0,015; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 2,25–18 кг. Про­бу высыпают на верхнее сито и весь комплект сит встря­хивают 10–30 минут. При просеивании тонкодисперсных материалов, склонных к агрегированию, в нижнее сито помещают резиновые шайбы либо пробки для растира­ния образовавшихся комков. После просеивания взвеши­вают на технических весах с точностью до 0,1 г остаток в каждом сите и вычисляют содержание (в % по массе) фракции в исходной пробе.

 

МОКРЫЙ СПОСОБ

СИТОВОГО АНАЛИЗА

 

Этот способ используют в случаях необходимости очень точного определения гранулометрического состава порош­ков, растрескивающихся при температурах ниже 105°С, а также слипающихся или содержащих большое количе­ство мелкой фракции. Мельчайшие частицы отмывают слабой струей воды до тех пор, пока слив не станет про­зрачным. Остаток на сите высушивают, взвешивают и по разности масс находят количество отмытого шлама.

Фракции частиц обозначают номерами сит. Напри­мер, если фракция получена последовательным просеива­нием материала на ситах № 2 и № 1, фракцию обознача­ют следующим образом: 2–1 мм. Результаты ситового анализа представляют графически в виде так называе­мых кривых распределения. Последние подразделяют на дифференциальные (показывающие процентное содержащиe отдельных фракций) и интегральные (отражающие суммарное процентное содержание всех фракций меньше или больше данного размера).

Зная распределение частиц по их размерам, можно ответить на основные вопросы дисперсионного анализа:

• каковы размеры самой малой и самой большой час­тицы;

• частиц какого размера больше всего;

• каков фракционный состав системы, т. е. каково про­центное содержание

данной фракции в системе. Под фракцией понимается та часть порошка,

размер частиц, в которой отвечает выбранному интервалу размеров. Пример. В данном порошке самая маленькая частица

имеет r = 2,0 • 10 ⁵ м, а самая большая – r = 3,5 • 10 ⁵ м.

Примем, что частицы радиусы, которых не отличаются

больше, чем на 0,3 • 10 ⁵ м, образуют одну фракцию. Тогда:

• 1–я фракция – все частицы с радиусом (2,0–2,3)•10 ⁵ м;

• 2–я фракция – все частицы с радиусом (2,3–2,6)•10 ⁵ м;

• 3–я фракция – все частицы с радиусом (2,6–2,9)•10 ⁵ м;

• 4–я фракция – все частицы с радиусом (2,9–3,2)•10 ⁵ м;

• 5–я фракция – все частицы с радиусом (3,2–3,5)•10 ⁵ м.

 

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

 

Седиментационный анализ состоит в эксперименталь­ном получении кривой седиментации, т. е. зависимости массы осадка т дисперсной фазы от времени осаждения t.

С процессом седиментации частиц дисперсной фазы мы уже сталкивались (см. раздел 10.1). Вспомним основ­ные закономерности этого процесса.

Если сферическую частицу , радиус которой r и плот­ность, поместить в жидкость, плотность которой равна , а вязкость , на нее будет действовать сила тяжести (седиментация).

,

где V –объем частицы, равный , g –ускорение свободного падения.

Как только частица станет оседать, возникнет проти­водействующая сила – сила трения (F )

F = В • U,

где В – коэффициент трения, а U– скорость оседания.

В начале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторый момент достигается равенство –F , при котором частицы начинают двигаться с постоянной скоростью. Время, которое для этого требует­ся, пренебрежимо мало. Так, для частиц кварца радиу­сом 50 мкм это время составляет 3,4 • 10 ³ с, а для частиц радиусом 1 мкм – 1,7 • 10 ⁶ с.

Исходя из приведенных выше уравнений

.

В соответствии с законом Стокса, В = , и учитывая, что , получим .

Таким образом, скорость седиментации прямо пропор­циональна квадрату радиуса частицы. Следовательно, час­тицы разных размеров оседают с разными скоростями: чем больше частица, тем больше скорость ее оседания.

Если экспериментально определить скорость оседания, можно легко рассчитать радиус частицы:

r= .

 

Так как величины и