Образование, особенности и разрушение структурированных систем

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА дисперсных систем

Г л а в а 11

Свойства дисперсных систем определяются числом частиц дисперсной фазы. Если частиц много, между ними возникают контакт и взаимодействие, образуется структура, которая сообщает системе прочность. Дисперсные системы приобретают способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. В определенных условиях может происходить течение этих систем. Подобные системы изучаются при помощи методов реологии — науки о деформации и течении тел.

Закономерности структурообразования, совокупность механических и реологических свойств, к которым относятся вязкость, упругость, пластичность и прочность, объединены общим термином — структурно-механические свойства дисперсных систем. Эти свойства изучает физико-химическая механика, которая представляет один из разделов коллоидной химии. Физико-химическая механика — пограничная область науки, возникшая на стыке физической химии, физики твердого тела и механики материалов; основные ее положения были разработаны академиком П.А.Ребиндером.

Следует различать структурно-механические свойства упруговязкопластических тел (теста, битума, асфальта) и сыпучих материалов (муки, крупы, цемента, бетона и др.).

Методы физико-химической механики позволяют регулировать эти свойства и создавать продукцию требуемой структуры.

Свойства дисперсных систем помимо других факторов зависят от числа частиц дисперсной фазы, т.е. от численной концентрации. Если взаимодействие между частицами практически исключено и частицы способны к взаимному перемещению, то положение их в дисперсной системе не фиксируется, и под действием внешних факторов (например, гравитации) частицы могут двигаться. Такие системы называют свободнодисперсными.

Свободнодисперсные системы — это системы, в которых частицы дисперсной фазы в состоянии свободно перемещаться по всему объему системы. Такие системы возникают тогда, когда между частицами отсутствует контакт (рис. 11.1, а). Свободнодисперсные системы текут подобно любой жидкости или газу. Наличие частиц дисперсной фазы приводит лишь к некоторому росту вязкости системы по сравнению с вязкостью дисперсионной среды.

в

а

б

б

а

Рис. 11.1. Свободнодисперсная (а) и связнодисперсная (б) системы

Рис. 11.2. Контакты между частицами:

а, б — коагуляционные: непосредственный (а) и через прослойку жидкости (б); в — конденсационно-кристаллизационный

При увеличении числа частиц и сил взаимодействия между ними дисперсная система образует структуру (см. рис. 11.1, б), которая представляет собой пространственный каркас, состоящий из частиц дисперсной фазы и заполненный дисперсионной средой.

Различают упорядоченную и неупорядоченную структуры: в первом случае частицы, составляющие структуру, находятся в определенном порядке, а во втором частицы в структуре расположены хаотически. Еще раз подчеркнем, что отличительный признак пространственной структуры — непосредственная связь между частицами.

Системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны между собой и не способны перемещаться относительно друг друга, называют связнодисперсными. Связнодисперсные системы образуют кондитерские массы, кирпич, бетонные изделия и др. Связнодисперсные системы в отличие от свободнодисперсных обладают новым качеством — прочностью. Они способны, подобно твердому телу, противодействовать в определенных условиях внешнему усилию. Если под действием внешней нагрузки, например давления, свободнодисперсные системы текут, то связнодисперсные системы могут сохранять свою форму. Связнодисперсные системы обладают определенными механическими свойствами, к которым помимо прочности относятся упругость, вязкость и пластичность. Совокупность механических свойств, обусловленных структурой, называют структурно-механическими.

Между частицами связнодисперсных систем существует непосредственный контакт (рис. 11.2) и возникает связь. В зависимости от природы связи различают коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные контакты. Взаимодействие частиц в коагуляционных контактах может происходить непосредственно (а) или через прослойку жидкости (б). Граница раздела фаз между частицами сохраняется. Связь частиц в коагуляционных контактах структуры осуществляется, в частности, за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы определяются по формуле (10.23), а сам контакт локализуется на небольшой поверхности (точечный контакт). Коагуляционные структуры являются тиксотропными, после разрушения они способны самопроизвольно восстанавливаться с течением времени. Таким образом, тиксотропия — это способность структурированных систем восстанавливаться после разрушения.

Аморфные частицы в некоторых условиях могут образовывать конденсационные, а кристаллические частицы — кристаллизационные контакты, которые называют фазовыми контактами. В конденсационно-кристаллизационных контактах и структурах между частицами образуются мостики; возможно даже срастание частиц (см. рис. 11.2, в). В фазовых контактах взаимодействие между частицами вызвано когезионными силами на значительной площади, соизмеримой с размерами частиц. Связь между частицами значительно превышает межмолекулярное взаимодействие коагуляционных структур. Конденсационно-кристаллизационные структуры не обладают тиксотропией — после разрушения такие структуры неспособны самопроизвольно восстанавливаться.

Сила взаимодействия двух частиц радиусом 1 мкм для коагуляционных контактов составляет 10^–9–10^–7Н; в случае конденсационно-кристаллизационных контактов эта сила может увеличиваться до 10^–3Н, т.е. на несколько порядков.

В процессе термообработки при выпечке хлебобулочных изделий, например печенья, галет и крекера, возникают конденсационные структуры. Измельчение сахара-песка для превращения его в сахарную пудру сопровождается разрушением необратимых кристаллизационных структур. При переработке какао-бобов происходит их измельчение, перемешивание с какао-маслом и образование коагуляционных структур. После охлаждения и получения готовых шоколадных изделий образуются преимущественно конденсационно-кристаллизационные структуры.

Структурированные системы способны к деформации, простейшие виды которой растяжение (рис. 11.3, а) и сдвиг (рис. 11.3, б). Деформация определяется безразмерной величиной γ. Она равна отношению Δx/x: при растяжении — удлинению Δx образца, а при сдвиге — перемещению Δy, отнесенному к первоначальному размеру образца х, т.е. γ= Δх/х и γ = Δy/y (см. рис. 11.3, а и б — соответственно).

Деформация g зависит от приложенного к телу напряжения, измеряемого в Па и равного внешней силе на единице поверхности тела, к которому приложена эта сила. Эта зависимость приведена на рис. 11.4. Сначала (участок I) имеет место прямо пропорциональная зависимость между Р и γ, что характерно для упругой деформации.

Упругая деформация сдвига равна

P = Eγ (11.1)

где Е — модуль Юнга (сдвига).

Модуль Юнга количественно отражает упругие свойства различных тел.

Характерной особенностью упругой деформации является способность тела восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия нагрузки, т.е. если Р = 0, то и γ = 0.

Возможность дисперсной системы противодействовать внешнему усилию ограничена. При некоторых значениях Р > Р_кможет произойти разрушение тела (участок II) либо появиться остаточная деформация. Последнее означает, что после снятия нагрузки когда Р = 0, γ ≠ 0, т.е. тело не возвращается к первоначальным размерам. величину Р_кназывают пределом упругости.

Возможны переход упругой деформации в пластическую (участок III на рис. 11.4) и течение тел. Этот переход осуществляется при Р, равном Р _т.

Пластичность — это свойство тел развивать необратимые истинно остаточные деформации, для их осуществления требуется достижение некоторого напряжения Р _т, называего пределом текучести.

Деформация тел непосредственно связана со структурой. Структурированные системы в зависимости от концентрации, свойств и взаимодействия частиц дисперсной фазы могут обладать признаками жидкости или твердых тел. По классификации П.А.Ребиндера все тела можно разделить на жидкообразные и твердообразные. Течение жидкообразных тел происходит при сколь угодно малых значениях предела текучести, т.е.

P _т ≈ 0. (11.2)

Течение твердообразных тел имеет место при определенном значении предела текучести, когда

P _т > 0. (11.3)

Таким образом, предел текучести может характеризовать реологию структурированных систем.

Структурно-механические свойства связнодисперсных систем зависят от агрегатного состояния дисперсионной среды. Жидкость, которая формирует дисперсионную среду, обусловливает возникновение определенной структуры и сообщает этой структуре упруговязкопластичные свойства. Для сыпучих материалов, т.е. систем типа Т/Г, газовая дисперсионная среда в отличие от жидкой в меньшей мере участвует в образовании структуры. Твердая дисперсионная среда систем с различной дисперсной фазой формирует каркас и структуру, которая и обусловливает прочность всей системы (см. гл. 18). Растворы ВМС, к числу которых относятся растворы белков, желатина и крахмала (см. гл. 19 и 20), могут образовывать студни, являющиеся связнодисперсными системами.

Дата добавления: 2014-10-15