Взаимодействие дисперсных частиц. Устойчивость, коагуляция и реология дисперсных систем

1. Взаимодействие дисперсных частиц. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

I.1. Общее рассмотрения проблемы и основные определения

Под устойчивостью дисперсных систем понимают постоянство их свойств во времени и, в первую очередь, дисперсности, распре­деления частиц дисперсной фазы по размерам и межчастичного взаимодействия. В данном определении имеется в виду устой­чивость по отношению к укрупнению или агрегации частиц и к их осаждению. Все эти процессы харак­терны для свободнодисперсных систем, хотя укрупнение частиц в определенных условиях возможно и в связнодисперсных си­стемах.

Проблема устойчивости дисперсных систем является одной из важнейших в коллоидной химии. Она имеет большое значе­ние для протекания многих процессов - природных и осуществ­ляемых в различных промышленных отраслях. Обеспечение ус­тойчивости свободнодисперсных систем необходимо при полу­чении из них различных изделий, покрытий, связующих мате­риалов, лекарственных препаратов, аэрозольных средств и т. д. Обычно потеря устойчивости требуется для того, чтобы вызвать, структурообразование в материалах, для получения осадков при разделении фаз, очистке промышленных выбросов и др.

По предложению Н. П. Пескова (1920 г.) устойчивость дис­персных систем подразделяют на два вида: устойчивость к осаж­дению дисперсной фазы и устойчивость к агрегации ее частиц. Первый вид устойчивости – тривиальный. Он отвечает способности дисперсной системы сохранять равномерное распределение час­тиц дисперсной фазы по объему дисперсионной среды. Обычно в этом случае говорят о седиментационной устойчивостью. Эта устойчивость зависит только от размера частиц, от их плотности, а также от плотности и вязкости дисперсионной среды. В данном разделе обсуждаются явления и процессы, обусловленные агрегативной устойчивостью дисперс­ных систем. Прежде всего, отметим, что все дисперсные системы в зави­симости от механизма их образования по классифика­ции П. А. Ребиндера подразделяют на лиофильные, которые возникают при самопроизвольном диспергировании одной из фаз (самопроизвольное образование гетерогенной свободнодисперсиой системы) и лиофобные, получающиеся в результате диспер­гирования и конденсации с пересыщением (принудительное об­разование гетерогенной свободнодисперсной системы). Лиофобные системы по определению обладают из­бытком поверхностной энергии. Поэтому в них самопроизволь­но происходит укрупнение частиц, т. е. происходит снижение поверхностной энергии за счет уменьшения удельной поверх­ности. Такие системы называют агрегативно неустойчивыми. В дальнейшем понятие «агрегативно» мы будем опускать, полагая под устойчивостью способность частиц не слипаться друг с другом при соударениях.

Коагуляция в разбавленных системах, очевидно, приводит и к потере седиментационной устойчивости, что, в конечном итоге, вызывает расслоение (разделение) фаз. К коагуляции относят адгези­онное прилипание частиц дисперсной фазы к макроповерх­ностям (адагуляция). В более узком смысле коагуляцией на­зывают слипание частиц. Процесс слияния капель эмульсий получил на­звание коалесценции. В концентрированных системах коагуля­ция может проявляться в образовании объемной структуры, в которой равномерно распределена дисперсионная среда. В соответствии с двумя разными результатами коагуляции раз­личаются и методы наблюдения и фиксирования этого процесса. Укрупнение частиц в разбавленных, низко концентрированных дисперсных системах ведет к увеличению мутности раствора, к уменьшению осмотического давления. Структурообразование в концентрированных дисперсных системах изменяет их реологические свойства системы, например, возрастает её вязкость, замедляется течение.

Чтобы нагляднее представить основные процессы, которые могут происходить в дисперсных системах, на рис. 1 показа­на схема переходов дисперсных систем в разные состояния. Устойчивая свободнодисперсная система, в которой дисперсная фаза равномерно распределена по всему объему, может образо­ваться в результате конденсации из истинного раствора. Поте­ря устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки среды. В результате об­разуются или флоккулы (флоккуляция — образование агрегатов из нескольких частиц, разделенных

Рис.1.1. Процессы агрегации-диспергирования, протекающие в дисперсных системах.

прослойками среды), или коагуляционные структуры, отличающиеся наличием подвижности частиц относительно друг друга под действием сравнительно небольших нагрузок (места контактов разделены прослойками среды). Обратный процесс образования устойчивой свободнодисперсной системы из осадка или геля (структурированной дисперсной системы) называется пептизацией. Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек среды и к непосредственному контакту частиц. В итоге или образуются жесткие агрегаты из твердых частиц, или происходит полное слияние их в системах с жидкой или газообразной дисперсной фазой (коалесценция). В концентрированных системах образуются жесткие объемные конденсационные структуры твердых тел, которые снова можно превратить в свободнодисперсную систему только с помощью принудительного диспергирования. Таким образом, понятие коагуляции включает несколько процессов, идущих с уменьшением удельной поверхности системы.