7.4.1. Механическое диспергирование

Эти методы основаны на механических способах преодоления межмолекуляр­ных сил. Накопление свободной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы, переходящей в свободную поверхностную энергию.

Диспергированием называют измельчение твердых или жидких тел. При этом очень сильно увеличивается дисперсность и образуется дисперсная система, обладающая развитой удельной поверхностью.

Диспергирование может происходить в результате процесса раздавливания, истирания, дробления. К диспергирующим устройствам относятся шаровые мельницы, стержневые мельницы, вальцы, краскотерки, коллоидные мельницы. При сухом помоле обычно получают частицы размером приблизительно 60 мкм. При мокром помоле получают частицы, по размеру близкие к коллоидным. Наибольшую степень диспергирования можно получить в коллоидных мельни­цах. В обычных шаровых мельницах создается ускорение , в мельницах-активаторах до .

Диспергированию подвергается громадное количество различных материа­лов. Подсчитали, что  всей производимой в мире энергии расходуется на образование новой поверхности. Примерами диспергирования могут служить измельчение цемента, зерна, пигментов в мельницах с образованием сыпучего порошка или суспензии при размельчении в жидкой среде; образование эмуль­сий, а также пены при продувании газа через столб жидкости. Иногда процессы диспергирования являются нежелательными (например, природные процессы эрозии, выветривания, хрупкий износ при трении).

При диспергировании можно установить взаимосвязи поверхностных и объемных свойств. Под действием внешних сил конденсированное вещество сначала претерпевает объемное деформирование (упругое и пластическое) и только после этого при определенном усилии оно разрушается с образованием новой поверхности. Таким образом, работу, необходимую для диспергирования, можно разделять на две части. Одна часть работы расходуется на объемное де­формирование тела:

(7.2)

где - коэффициент пропорциональности, равный работе объемного деформирования еди­ницы объема конденсированного тела; - объем тела.

Другая часть работы расходуется на образование новой поверхности:

(7.3)

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

(7.4)

Так как объемное деформирование пропорционально объему тела, а , и изменение по­верхности пропорционально его начальной поверхности, а , то

(7.5)

где и - коэффициенты пропорциональности.

При изучении процесса диспергирования установлено, что в частице при деформации развиваются микротрещины на основе дефектов кристаллической решетки. Среди этих микротрещин имеются и такие, широкие части которых выходят на поверхность тела, а тупики остаются внутри тела. Поверхностные микротрещины являются основной причиной понижения механической проч­ности реальных твердых тел по сравнению с их теоретической прочностью.

7.4.2. Эффект Ребиндера и его роль в диспергировании

В 1928 г-дин П. А. Ребиндер высказал предположение о том, что в основе по­нижения механических свойств твердых тел под влиянием поверхностно-ак­тивных веществ (ПАВ) лежит снижение свободной поверхностной энергии и, как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых по­верхностей. Разрушение можно рассматривать как процесс образования новых поверхностей, следовательно, адсорбция ПАВ облегчает разрушение. Проч­ность твердого тела тем меньше, чем меньше поверхностная энергия. Поверх­ностную энергию можно уменьшить с помощью ПАВ. Существует выражение, устанавливающее связь прочности и поверхностной энергии для тела, имею­щего дефект в виде микротрещины.

Рассмотрим твердое тело – пластину (рис. 7.3) единичной толщины, к которой приложено растягивающее напряжение . В соответствии с законом Гука, упругая деформация тела приводит к накоплению в нем упругой энергии с плот­ностью, равной

(7.6)

где - модуль Юнга. Пусть в теле возникает сплошная трещина длинной . При этом в части объема происходит уменьшение упругой деформации и соот­ветственно уменьшение плотности упругой энергии. Можно приближенно счи­тать, что подобная релаксация напряжений происходит в области размером по­рядка (рис. 7.3), т. е. уменьшение запасенной в теле упругой энергии пропор­ционально квадрату размера трещины:

(7.7)

Рис. 7.3. Пластина единичной толщины под воздействием растягивающего напряжения .

При механическом диспергировании протекает обратный процесс - рекомбинация частиц, интенсивность которого увеличивается при увеличение степени дисперстности. Максимальный размер частиц, который можно получить механическим измельчением - . Рекомбинацию частиц можно подавить, применяя инертный разбавитель. Так по­лучают коллоидную серу дроблением ромбической серы с добавлением сахара как инертного разбавителя. К образующейся смеси коллоидной серы с сахаром добавляют воду и разделяют смесь с помощью диализа.

Увеличение поверхностной энергии пропорционально поверхностному натяжению и удвоенной длине трещин, так как трещина имеет два берега.

(7.8)

Рис. 7.4.

Вместе с тем рост трещины сопровождается увеличением поверхностной энергии вследствие образования новой поверхности раздела фаз с площадью, пропорциональной удвоенной длине трещины. Общее изменение энергии при образовании трещин равно сумме изменений упругой и поверхностной энергий:

(7.9)

Графически зависимость изменения энергии от длины трещины изображается кривой с максимумом (рис. 7.5) .

Рис. 7.5. Зависимость изменения энергии от длинны трещины.

В точке максимума значение первой производной функции равно , т. е.

(7.10)

Этому максимуму свободной энергии отвечает критический размер трещины, равный:

(7.11)

Трещины с размером, большим критического, неустойчивы и самопроиз­вольно увеличивают свои размеры, что приводит к образованию макроскопиче­ской трещины и разрушению тела. Трещины с размером, меньшим критиче­ского, должны стремиться уменьшить свои размеры (залечиваться).

Выражение (7.11) можно также представить в виде

(7.12)

Согласно этому соотношению, полученному впервые Гриффитсом и назван­ному его именем, реальная прочность твердого тела, имеющего трещину с размером l, пропорциональна корню квадратному из величины поверхностной энергии и обратно пропорциональна корню квадратному из длины трещины. «Теоретическая» прочность идеального тела равна

(7.13)

где – размер молекул. Уравнение Гриффитса может быть также представлено в виде

(7.14)

Таким образом, отношение реальной и идеальной прочности твердого тела определяется соотношением между размером молекул b и размером дефекта.

Таким образом, анализ взаимосвязи механических свойств и поверхностной энергии показывает, что, изменяя величину поверхностной энергии, можно влиять на прочность материалов. Развитие микротрещин под действием внеш­них сил может быть облегчено адсорбцией различных веществ на поверхности тела из среды, в которой проводят диспергирование.

Адсорбироваться могут ионы электролитов, молекулы поверхностно-актив­ных веществ, жидкие металлы (например, ртуть). На поверхности образуется двухмерный газ. Адсорбированные ионы или молекулы проникают в щели и стремятся раздвинуть микротрещины. Происходит также экранирование сил сцепления, действующих между поверхностями микротрещин. Адсорбирован­ное понижение прочности получило название эффекта Ребиндера. Вещества, повышающие эффективность диспергирования, называются понизителями твердости. Этот эффект имеет большое практическое значение не только в процессах собственно диспергирования, но и в процессах бурения твердых пород, при тонкой обработке металлов.

Понизители твердости могут быть введены в диспер­гирующее устройство в виде паров, жидкости. Этот спо­соб широко применяется при получении высокодис­персного цемента.

К эффективным методам относятся механическое дисперигирование, осно­ванное на применении вибрационных методов (воздействие колебаний доста­точно высокой частоты и малой амплитуды) и осуществляемое в вибраторах вибромельницах. К этой же группе относится и диспергирование в звуковых и ультразвуковых полях.

Таким путем получают органозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидро­золи серы, различных полимеров.