Устойчивость и коагуляция лиофобных дисперсных систем

В основе любой теории устойчивости, учитывающей механизм межчастичных взаимодействий дисперсной среды между собой или с макроповерхностями, должно лежать соотношение сил притяжения и отталкивания частиц.

Известно, что в лиофобных дисперсных системах самым распространенным эффектом устойчивости является электростатический.

Для описания и объяснения устойчивости таких систем была предложена теория, учитывающая электростатическую (отталкивание) и молекулярную (притяжение) составляющие общей энергии взаимодействия частиц. Эта теория носит название теории ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек).

Рассмотрим простейший вариант взаимодействия крупных частиц, для которых можно пренебречь их тепловым движением. В этом случае получаем модель взаимодействия между двумя параллельными пластинами, т.е. линейный размер частиц значительно больше толщины ДЭС.

Общая теория взаимодействия:

При больших потенциалах поверхности:

,

где C₀ – концентрация противоионов, æ – удельная электропроводность, λ – радиус ионной атмосферы или толщина диффузного слоя Гуи, , h – расстояние между пластинами (частицами).

При малых потенциалах поверхности: .

Энергия отталкивания частиц возрастает экспоненциально при их сближении.

Из сил молекулярного притяжения наиболее универсальны лондоновские силы дисперсионного взаимодействия, обратно пропорциональные квадрату расстояния между частицами.

, где А^* – сложная константа Гамакера, ~ 10^-19 Дж.

Зависимость полной энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними (h) представлено на рис.

При малых и больших h преобладает притяжение, а на средних расстояниях – отталкивание.

I минимум – непосредственное слипание частиц, коагуляция.

II минимум – притяжение через прослойку жидкости, флокуляция.

Максимум характеризует потенциальный барьер, препятствующий слипанию. Увеличению того барьера, т.е. повышению устойчивости системы, способствует рост потенциала на поверхности частиц. Уже при φ = 20 мВ обеспечивается ее агрегативная устойчивость. U_max возрастает с уменьшением А^*. Высота потенциального барьера пропорциональна радиусу частиц, увеличение размеров приводит к возрастанию II_min. Процессы дальней агрегации особенно распространены в грубодисперсных системах (в пастах, в цементных растворах).

Различают три наиболее характерных вида потенциальных кривых, отвечающих определенным состояниям агрегативной устойчивости.

Кривая 1. При таком состоянии, когда U_М > U_Э при любых расстояниях h, наблюдается быстрая коагуляция с образованием агрегатов (или коалесценция).

Кривая 2. В системе происходит флокуляция частиц на расстояниях, соответствующих вторичному min. Возможна пептизация при устранении II_min.

Кривая 3. Система обладает большой агрегативной устойчивостью. Имеет место дальнее взаимодействие, при котором частицы не могут ни сблизиться вплотную, ни разойтись. Образуются структурированные системы – гели.

Агрегативная устойчивость дисперсных систем повышается в присутствии ионогенных ПАВ и ВМС, способствующих возникновению электрического потенциала на поверхности.

Ортокинетическая коагуляция – прилипание мелких частиц к крупным той же природы.

Дата добавления: 2014-12-16