Коагуляционные структуры

Структурообразование, реологические и структурно-механические свойства дисперсных систем

Лекция 11, 12

В процессе коагуляции в коллоидном растворе проис­ходит образование пространственной сетки из частиц дис­персной фазы— образуется структура.

В соответствии с потенциальной кривой взаимодействия коллоидных частиц коагуляция может соот­ветствовать первичному (I) или вторичному (II ) минимуму.

В первом потенциальном минимуме частицы находят­ся в непосредственном контакте, между ними возникает химическое взаимодействие (возникают химические свя­зи), приводящее к образованию компактного осадка.

Во втором потенциальном минимуме взаимодейству­ющие частицы разделены слоем дисперсионной среды, непосредственного контакта нет, возникают межмолекулярные силы притяжения. Таким образом, возникают различные по характеру структуры.

П. А. Ребиндер предложил подразделить структури­рованные системы на два класса, исходя из типа взаимо­действий:

• коагуляционные структуры (тиксотропно-обратимые гели);

• конденсационно-кристаллизационные структуры (нео­братимо разрушающиеся).

Структура образуется за счет сцепления частиц ван-дер-ваальсовыми силами через прослойки дисперсионной среды в рыхлые каркасы — гели. Свойства таких струк­тур определяются не столько механическими свойствами частиц, сколько характером и особенностями меж­частичных взаимодействий и свойствами прослоек дис­персионной среды.

Для этих стуктур характерны следующие свойства:

• тиксотропия;

• синерезис;

• небольшая прочность;

• набухание;

• ползучесть.

Наличие жидкостной прослойки между частицами обусловливает небольшую прочность структуры, вместе с тем придает ей пластичность, а в некоторых случаях и эластичность. Чем толще прослойка среды, тем меньше сказывается действие межмолекулярных сил, тем менее прочна структура и тем жидкообразнее система. На про­цесс гелеобразования влияют следующие факторы.

1. Концентрация дисперсной фазы: с повышением ча­стичной концентрации возрастает число контактов и ско­рость их возникновения.

2. Размеры частиц: чем они меньше при постоянной массовой концентрации дисперсной фазы, тем больше образуется контактов.

3. Форма частиц: гелеобразование облегчается, если частицы анизодиаметричны и имеют углы, ребра и т. д. В этих местах двойные электрические слои или сольватные оболочки наименее развиты и слипание частиц об­легчается.

4. Температура: при повышении температуры ско­рость гелеобразования увеличивается. Однако в резуль­тате повышения интенсивности броуновского движения гели могут переходить даже в неструктурированные жид­кости.

5. Механическое воздействие: обычно перемешивание препятствует образованию геля. Однако в некоторых слу­чаях скорость образования геля из агрегативно неустой­чивого золя с сильно анизодиаметричными частицами (например, золь V₂O₅) можно значительно увеличить, если сосуд медленно вращать. Это явление получило название реопексии (греч. образование геля при движении). Одно­значного объяснения этого явления нет, но некоторые ученые считают, что причиной реопексии является воз­никновение в системе турбулентности, ускоряющей уста­новление контактов между частицами.

Рассмотрим некоторые свойства коагуляционных структур.

Тиксотропия

Тиксотропией называется способность коагуляци­онных структур после их механического разрушения самопроизвольно восстанавливать во времени свою структуру.

Таким образом, тиксотропия — это обратимый пере­ход золь о- гель, протекающий при механическом воздей­ствии. Тиксотропия характеризуется величиной θ — тиксотропным периодом.

Тиксотропный период в — время, за которое систе­ма восстанавливает структуру после снятия механи­ческого воздействия.

Тиксотропный период может меняться в широких пределах. В спокойном состоянии система представляет собой пластическое твердообразное тело, которое не те­чет под действием силы тяжести. После встряхивания система настолько разжижается, что легко вытекает из сосуда. Через определенное время она снова становится нетекучей.

Синерезис

Синерезисом называется явление самопроизвольного уменьшения размеров геля за счет выделения дисперси­онной среды, содержавшейся в структуре геля.

Синерезис обусловлен возрастанием во времени чис­ла и прочности контактов между частицами, а в некото­рых случаях — возникновением кристаллизационных мостиков между частицами. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело. Самопроизвольный переход коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную с «выжиманием» жидкости — типичный при­мер синерезиса.

Синерезису благоприятствуют все факторы, которые способствуют коагуляции:

• введение электролита-коагулянта;

• повышение температуры;

• введение в систему десольватирующих агентов и т. д.

Набухание

Системы с коагуляционной структурой, из которых высушиванием удалена дисперсионная среда (ксерогели), способны в той или иной степени поглощать эту среду при контакте с ней. При этом происходит раздвижение элементов структуры геля и заполнение образовавшихся промежутков дисперсионной средой. Этот процесс назы­вается набуханием. Очевидно, что набухание является процессом, обратным синерезису. Вследствие того, что при образовании пространственной структуры лиофобных систем места контактов закрепляются довольно прочно, лиофобные ксерогели набухают незначительно.

Со свойством ползучести мы встретимся позднее.

Дата добавления: 2013-12-13