1.3. Дисперсні системи. Класифікація дисперсних систем з позицій фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів

1.3.1. Дисперсними (мікрогетерогенними) системами називаються системи, що складаються з двох чи декількох фаз, одна з яких представлена окремими дрібними часточками (дисперсна фаза), розподіленими в іншій неперервній фазі (дисперсійне середовище).

Коли розміри часточок настільки малі, що їх можна порівняти з найбільшою товщиною граничного шару (з робіт Б.В. Дерягіна – 1·10^-7м) система стає гранично дисперсною – колоїдною. Подальше диспергування дисперсної фази, якщо воно можливо в даному середовищі, привело б до утворення гомогенної однофазної системи – істинного розчину.

Дисперсність виражається питомою поверхнею дисперсної фази і визначається відношенням (1.1):

м^-1 (см^-1), або м²/кг (см²/г) (1.1)

де: S _1,2 – поверхня розподілу між дисперсною фазою (1) і дисперсійним середовищем (2); V₁ – об’єм дисперсної фази; m – маса часток дисперсної фази.

Наприклад, питома поверхня цементу і мінерального порошку складає 300 м²/кг та 200…400 м²/кг відповідно. Швидкотверднучі цементи виготовляють шляхом тонкого помелу цементного клінкеру до величини питомої поверхні близької 500 м²/кг, при цьому забезпечується суттєва зміна властивостей цементу.

Дисперсність обернено пропорційна лінійним розмірам часточок і виражається в м^-1 (см^-1). Оскільки поверхня часточок пропорційна квадрату їхнього радіуса, а обсяг – кубу радіуса, дисперсність може бути виражена через радіус r чи діаметр δ = 2 r часточок дисперсної фази (1.2):

(1.2)

де: β – коефіцієнт форми.

Для часточок кулястої форми, що мають найменшу поверхню при заданому об’ємі, β мінімально (β = 6).

У цьому випадку об’єм кулі V = (4/3)∙πr³_, поверхня кулі S = 4 πr².

(1.3)

У загальному випадку β  6.

Наочне уявлення про розвиток поверхні в дисперсних системах і про положення колоїдної області дає графік залежності величини питомої міжфазної поверхні від радіуса часток твердої фази. Крива дисперсності S′₁ = f (r) має форму рівносторонньої гіперболи. Згідно з (рис. 1.1) колоїдні дисперні системи – це проміжні системи між грубодисперсними та молекулярними системами. Представники таких систем у будівельному матеріалознавстві є: глини, цементи у стадії гідратації в цементному тісті; бітуми, коли асфальтени знаходяться у завислому стані у мальтеновому середовищі з масел та смол тощо. Але будівельне матеріалознавство вивчає і грубодисперсні системи: цементобетони, асфальтобетони, пластмаси і таке інше.

Рис.1.1. Залежність питомої міжфазної поверхні дисперсної системи від розміру її часток r

З підвищенням дисперсності питома поверхня дисперсної системи різко зростає (табл. 1.1).

Властивості дисперсних систем суттєво відрізняються між собою (табл. 1.2) саме завдяки розмірам їх складових часток. В основу розподілення дисперсних систем покладені не просто розміри, а саме властивості (табл. 1.2).

Таблиця 1.1

Довжина ребра кубика, см	Число кубиків, N	Об’єм кубика, см3	Поверхня кубика, см2
1	1	1	6	6
1 · 10-2	1 · 106	1 ·10-6	6 · 10-4	6 · 102
1 · 10-7 (1 нм)	1 · 1021	1 · 10-21	6 · 10-14	6 · 107

Таблиця 1.2

Властивості дисперсних та молекулярних систем

Тонко- і грубодисперсні  = 10-4 … 10-7 м	Колоїдно-дисперсні  = 10-7 … 10-9 м	Молекулярні та іонні розчини  < 10-9 м
Непрозорі, відбивають світло	Прозорі, розсіюють світло, опалесцюють	Прозорі, не опалесцюють
Частки не проходять крізь паперовий фільтр	Частки проходять крізь паперовий фільтр	Проходять крізь паперовий фільтр
Частки затримуються целофаном	Частки затримуються целофаном	Частки проходять крізь целофан
Гетерогенні	Гетерогенні	Гомогенні
Нестійкі	Відносно стійкі	Цілком стійкі
Частки, що видимі в оптичний мікроскоп	Частки, що видимі в електронний мікроскоп	Частки, невидимі у сучасні мікроскопи

Примітка: Опалесценція - розсіювання світла, зниження прозорості розчину.

1.3.2. Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом фаз (запропонована В. Освальдом: імовірні 9 комбінацій дисперсної фази і дисперсійного середовища в різних їх станах, табл. 1.3).

У колоїдній хімії всі системи, що відповідають колоїдній дисперсності, прийнято називати золями. Тому системи ж/г і т/г мають загальну назву аерозолів.

Колоїдні системи з рідким дисперсійним середовищем (г/р, р/р і т/р) називають ліозолями (від грец. ліоз - рідина) (табл. 1.3).

1.3.3. Класифікація дисперсних систем (колоїдних розчинів) за інтенсивністю молекулярних взаємодій на границі розподілу фаз здійснюється за здатністю сухого залишку, отриманого при обережному випаровуванні, розчинятися в чистому дисперсійному середовищі.

Системи, сухий залишок яких не здатний самовільно диспергуватися в дисперсійному середовищі, називаються необоротними (наприклад, ліозолі металів, гідрозолі йодиду срібла та ін.).

Таблиця 1.3

Дисперсна фаза	Дисперсійне середовище	Умовне позначення системи	Назва системи
Дисперсні системи в газах
Газ Рідина Тверде тіло	Газ Газ Газ	г/г р/г т/г	Колоїдна система не можлива Туман Дим, пил
Дисперсні системи в рідинах
Газ Рідина Тверде тіло	Рідина Рідина Рідина	г/р р/р т/р	Піна, газова емульсія Емульсія Колоїдний розчин
Дисперсні системи у твердих тілах
Газ Рідина Тверде тіло	Тверде тіло Тверде тіло Тверде тіло	г/т р/т т/т	Тверда піна, пористе тіло Тверда емульсія Твердий золь, сплав

Оборотними колоїдними системами називаються системи, у яких сухий залишок при зіткненні із середовищем звичайно спочатку набухає, а потім самовільно розчиняється й утворює колишню дисперсію (наприклад, розчин желатини у воді або каучуку у бензолі). Дисперсна фаза оборотних колоїдів молекулярно взаємодіє з дисперсійним середовищем і тому здатна в ній розчинятися. За цією ознакою дисперсні системи поділяють на дві основні групи ліофільні (оборотні), – розчини ВМР) і системи ліофобні (необоротні) – типові колоїдні системи.

Ліофільні системи – стійкі і стабільні у часі. Ліофобні – нестійкі і поступово руйнуються, виділяючи дисперсну фазу внаслідок коагуляції – укрупнення її часточок під дією молекулярних сил зчеплення.

1.3.4. Дисперсні системи також підрозділяються на вільнодисперсні і зв’язнодисперсні. У перших частинки дисперсної фази не зв'язані в одну суцільну сітку і здатні незалежно одна від одної переміщатися в дисперсійному середовищі під впливом теплового руху або сили ваги (розведені суспензії, емульсії, аерозолі – мають плинність і усі властивості, що характерні для рідин).

Зв’язнодисперсні системи – це системи, у яких часточки дисперсної фази зв'язані одна з одною за рахунок молекулярних сил, вони утворюють в дисперсійному середовищі своєрідні просторові сітки або каркаси (структури). Структуротвірні елементи роблять лише коливальні рухи – пасти (концентровані суспензії), концентровані емульсії, порошки.

Перехід золю в стан гелю називається гелеутворенням (коагуляцією), а процес утворення золю з гелю (зворотна коагуляція) зветься пептизацією. Ці переходи відбуваються за схемою:

Вільнодисперні → системи – золі ←

Коагуляція → Пептизація ←

Зв’язнодисперсні структури – гелі коагелі ліогелі (ліофобні системи) (ліофільні системи)

1.3.5. Класифікація дисперсних систем за розмірами часточок дисперсної фази (рис. 1.1).

Колоїдними вважаються часточки з діаметром δ<0,1 мкм, чи <10^-5см, якщо δ >1мкм, чи > 10^-4см – грубодисперсні.

Частки з розмірами менш 1 мкм виявляють помітний броунівський рух.

Седиментація (осадження) часточок з діаметром менш 0,1 мкм під дією сили ваги практично врівноважується броунівським рухом, тобто їх дифузією.

Діаметр частинок.....	більше 1 мкм.........	0,1 - 1мкм.................................	менше 0,1 мкм
Система......	грубодисперсна….	з проміжною дисперсністю…	колоїдно-дисперсна
		(мікрогетерогенні)