Файл: Конспект подготовлен студентами, не проходил проф. Редактуру и может содержать ошибки. Следите за обновлениями на vk. Comteachinmsu.pdf

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
????
- коэффициент механических потерь – показывает, какая часть затраченной не деформацию работы необратимо рассеивается на трение. Механические потери воз- никают в результате поступательного перемещения сегментов в вязкой среде. В
абсолютно упругом теле ???? → 0, в среде с низкой вязкостью ???? → 0.
Введем критерий Деборы для определения упругости тела ???? =
????
????
, где ???? – вре- мя действия силы; ???? - время поступательного перемещения кинетической единицы
(молекулы или сегмента), совпадает со временем релаксации. При ???? << ???? получаем
???? → ∞
и тело упругое ???? >> ???? ???? → 0 – идеальная жидкость, ???? ∼ ???? ???? → 1 – вяз- коупругое тело. Данный эффект объясняет вязкоупругость (твердость) воды, при падении с большой высоты (при высоких скоростях).
Понижение введет к увеличению времени релаксации поступательного движения сегмента и ???? → ∞. Увеличение частоты колебание системы приводит к уменьше- нию времени воздействия силы t и также ???? → ∞ . В обоих случаях полимер стано- вится стеклообразным. Наоборот, увеличение температуры и уменьшение частоты приводит к тому что ???? → 0. В обоих случаях полимер становится более высоко- эластичным и более текучим. Рассмотрим модели поведения различных систем.
Основы реологии
Упругое поведение
Упругое поведение (рис. 72) характеризуется пропорциональностью напряжений и деформаций – линейной зависимостью между ???? и ????
???? = ????????
(143)
где, ???? - напряжение сдвиг, ???? - модуль сдвига. Моделью данной системы является пружина. Полная механическая и термодинамическая энергия, запасаемая в еди-
Рис. 72. Модель упругого поведения нице объема тела такой системы:
???? =
∫︁
????
0
???? (????)???????? =
????????
2 2
=
????
2 2????
(144)
Характер взаимодействия в твердом теле определяет величину упругости и слабо зависит от температуры. Реальная упругая деформация проявляется до некоторого
89
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
предельного значения напряжения ( предел прочности в хрупких телах и остаточ- ная деформация в пластичных телах).
Вязкое поведение
Вязкое поведение (вязкое течение) характеризуется пропорциональностью напря- жений и скоростей деформаций (рис. 73), т. е. линейной зависимостью между ???? и скоростью сдвига ˙???? , и описывается законом Ньютона:
???? = ????
????????
????????
= ???? ˙????
(145)
где ???? - вязкость , Па*сек. За модель вязкого поведения можно принять поршень в жидкой среде. Скорость диссипации в единице объема (мощность):
Рис. 73. Модель вязкого поведения
????
????
= ???? ˙???? = ???? ˙????
2
(146)
Вязкость растет в ряду низкомолекулярных жидкостей с увеличением молекуляр- ной массы, в ряду суспензий с объемом дисперсной фазы, и у полимеров пропор- ционально молекулярной массе в степени 3,5.
Рис. 74. Модель пластичного течения
Пластичность
Пластичность характеризуется нелинейным поведением параметров. Отсутствует пропорциональность междй силовыми характеристиками и деформацией (рис. 74).
Пластическое течение механически и термодинамически необратимо
???? = ????
*
????
(147)
90
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Природа пластичности – совокупность процессов разрыва и перестройки межатом- ных связей, протекающих с участием подвижных линейных дефектов. При дости- жении предельного напряжении сдвига или предела текучести ????
*
наступает дефор- мация с заданной скоростью. Примерами таких систем являются порошки, песок,
снег, пасты, глины и т.д.
Модель Максвелла
Модель максвелла это деформация последовательно соединенных упругого и вяз- кого элементов (рис. 75). Деформация равна
???? = ????
????
+ ????
????
=
????
????
+
∫︁
????
0
????
????
????????
(148)
а общая скорость деформации ˙???? = ˙????
????
+ ˙????
????
и при начальных значениях ????
0
= ????????
0
и также при ???? = ???????????????????? получаем:
1
????
????????
????????
+
????
????
= 0
(149)
Проинтегрировав это уравнение с начальными условиями получаем:
???? = ????
0
????????????(−????/????
????
)
(150)
Такой постепенный спад во времени напряжений (релаксация) характерен для
Рис. 75. Модель Максвелла этой упруговязкой системы; при этом происходит диссипация на вязком элементе энергии, запасенной на упругом элементе, что делает поведение системы в таком режиме термодинамически и механически необратимым. Данной моделью описы- ваются горные породы, течение ледников, прочность конструкционных материалов и конструкций (например колебания высоких зданий).
Модель Кельвина – Фойга
Модель Кельвина - Фойга – параллельное соединения упругого элемента и эле- мента вязкого течения (рис. 76).
???? = ????
0
+ ????
????
(151)
91
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Интенсивный режим деформирования – приложение постоянного напряжения сдви- га ???? = ????
0
= ????????????????????
. Общая деформация развивается во времени со скоростью :
˙???? =
????????
????????
=
????
????
????
=
????
0
− ????
????
????
=
????
0
− ????????
????
(152)
интегририрование этого уравнения дает зависимость
???? =
????
0
????
(1 − ????
−????/????
????
)
(153)
где ????
????????????
=
????
0
????
Данная модель описывает затухание механических колебаний в ре- зине.
Рис. 76. Модель Кельвина - Фойга
Модель внутреннего напряжения.
Параллельное соединение модели пружины и пластичного течения (рис. 77). Де- формация в данной системе появляется, если приложено напряжение превышает предел текучести ????
*
и в теле возникает деформация ???? =
???? − ????
*
????
. Энергия, накоп- ленная в данной системе равна
???? =
????
*2 2????
(154)
Рис. 77. Модель внутреннего напряжения
Модель Бингама
Два элемента модель вязкого течения и модель пластичного течения соединены параллельно (рис. 78) . Напряжение на элементах суммируется. Тогда скорость деформации определяется вязким элементом:
˙???? =
???? − ????????????
*
????
????
(155)
92
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
если ???? < ????
*
деформации не происходит. Коэффициент Бинггама ????
????
= ????????/???? ˙???? = ????????????????
, по другому дифференциальная вязкость (величина постоянная). ????
???????? ????
= ????/ ˙???? = ????????????????
– переменная эффективная вязкость
Рис. 78. Модель Бингама
Данная система описывает водные дисперсии глинистых минералов.
Реологические свойства дисперсных систем
Анализ огромного количества структур позволил П.А. Ребиндеру разделить все их многообразие на два основных класса, отличающихся по видам взаимодействия частиц дисперсной фазы. В соответствии с коагуляцией, в так называемых пер- вичном и вторичном минимумах потенциальной кривой взаимодействия частиц,
он предложил различать конденсационно-кристаллизационные и коагуляционные структуры.
Конденсационно-кристаллизационное структурообразование, отвечающее коагу- ляции в первичной потенциальной яме, происходит путем непосредственного хи- мического взаимодействия между частицами, их срастания и образования жесткой объемной структуры. Если частицы аморфны, то структуры принято называть кон- денсационными. Если кристаллические, то структуры кристаллизационные. Эти структуры придают телам прочность, хрупкость и не восстанавливаются после раз- рушения.
Под коагуляционными структурами (хотя и конденсационно-кристаллизационные структуры тоже образуются в результате коагуляции) понимают структуры, соот- ветствующие коагуляции во вторичном минимуме потенциальной кривой взаимо- действия частиц дисперсной фазы. Механические свойства таких структур опре- деляются не столько свойствами частиц, образующих структуру, сколько характе- ром и особенностями межчастичных связей и прослоек среды. Высокая прочность обеспечивается одновременным уменьшением пресыщения и снижения внутренних напряжений. К таким системам относятся металлы, сплавы, керамика, бетон и т.п.
Для данных систем характерна способность восстанавливать свою структуру во времени после ее механического разрушения. Это явление получило название тик- сотропии. Самопроизвольное восстановление коагуляционной структуры говорит о том, что при относительном минимуме свободной энергии она обладает наибольшей механической прочностью. Примерами таких систем являются сырье, промежуточ- ные полупродукты (жидкообразные и твердые тела).
93

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Также тела можно поделить на жидкообразные тела(????
*
= 0
) и твердообразные тела (????
*
> 0
). Жидкообразные в свою очередь делятся на:
ˆ Ньютоновские жидкости – вязкость постоянная величина и не зависит от на- пряжения.
ˆ Неньютоновская жидкость – течение не следует закону Ньютона и вязкость зависит от напряжения.
Если характеристики неньютоновской жидкости зависят от времени то такая си- стема нестационарная, если же реологические свойства не меняются во времени, то такая система стационарна.
При рассмотрении жидких систем надо помнить, что если в системе имеются частицы и они анизометричны, то частицы будут ориентированы по потоку. Это позволяет определять модули упругости и напряжения сдвига не только для твер- дых тел, но и для жидкостей.
Рассмотрим график зависимости скорости деформации от приложенного напря- жения для анизотропичной жидкоподобной системы (рис. 79).
Рис. 79. Реологическая кривизна свободнодисперсной системы с анизотропическими частицами где ???? – объемная доля дисперсной среды, ???? – вязкость чистой дисперсионной сре- ды. В разных точках графика зависимость подчиняется различным зависимостям.
Опишем, что происходит в данной системе более подробно:
1) Участок I. Упругое последействие, связанное с взаимной ориентаций аниомет- ричных частиц и высокие значения вязкости из-за перетекания дисперсионной среды в ячейках.
2) Участок II. Область медленного вязкопластического течения с неразрушенной структурой. Сдвиг осуществляется за счет флуктационного процесса разруше- ния и восстановления коагуляционных контактов. Число контактов в среднем остается постоянным во времени . характерны небольшие деформации в доли процентов.
94
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
3) Участок III Область быстрого вязкопластического течения (модель Бингама)
относительно большое предельное натяжения сдвига ????
????
Смещение равновесия в сторону разрушения контактов приводит к уменьшению вязкости.
4) Участок IV. Полностью разрушенная структура в условиях ламинарного те- чения со свойствами ньютоновской жидкости. Вязкость в такой системе по- вышена согласно уравнению Эйнштейна. С увеличением напряжения сдвига наблюдается отклонения от уравнения Ньютона, связанное с возникновением турбулентности.
Некоторые соотношения для описания реологических систем:
ˆ Ньютоновская вязкость ???? = ????/ ˙???? = ????????/????????
ˆ Эффективная вязкость ????
???????? ????
= ???? / ˙????
ˆ Дифференциальная вязкость ????
????????????
= ???????? /???? ˙????
ˆ Эйнштйновская вязкость
???? − ????
0
????
0
= ????????
95
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Лекция 11.
Пены, аэрозоли, порошки.
Пены
Пены представляют собой грубодисперсные высококонцентрированные системы,
в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсной средой явля- ется жидкость, разделяющая их в виде пленок (рис. 80). Пена это лиофобная и связнодисперсная система, диаметр пузырьков газа в ней d < 0.1 м.
Если пена плоская, то вследствие того что натяжение пленок одинаково, силы их натяжения в плоскости уравновешиваются при одинаковых (120 0
) углах между пленками (1-е правило Плато); если пена объемная то в каждой вершине много- гранника (ячейки) сходятся 4 канала под углом 109 0
28
′
(2-е правило Плато). Фор- ма пузырьков монодисперсных пен – пентагональный додекаэдр, полидисперсные пены - форма нарушается, устойчивость снижается.
Рис. 80. Строение пены
Согласно П.А. Ребиндеру, пена является пластинчато-диспергированной в газе жидкостью. Введем коэффициент кратности ???? =
????
Π
????
Ж
=
????
Ж
+ ????
Г
????
Ж
, который показы- вает, насколько пена является влажной. Если ???? < 10 , то пена жидкая (влажная),
если 10 < ???? < 100 , то полусухая, если ???? > 100, то такая пена сухая. Например,
в строительстве и при производстве строительных материалов используют пены с кратностью 5÷10, при стирке (в прачечных) – 10÷20, для тушения пожаров необ- ходимы пены с высокой кратностью 70÷ 90. Известны пены, кратность которых достигает 1000.
96
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Таблица 7. получение пен
Диспергационные методы:
Конденсационные методы:
Диспергирование газа в жидкости через аэратор, барботер или пеногенератор
Понижение давления пара над раствором или понижение температуры раствора (физическое вспенивание)
Взбивание мешалкой и т.п.
Проведение химической реакции, в ходе которой образуется газ (химическое вспенивание)
Эжектирование воздуха движущейся струей раствора (в пеногенераторах)
Микробиологические процессы
Электрохимические процессы
(электрофлотация)
Пены можно получать двумя способами: диспергационными методами и конден- сационными методами (табл. 7).
К основным характеристикам пен относятся:
ˆ кратность
ˆ дисперсность (средний радиус пузырьков, максимальное расстояние между стенками, удельная поверхность)
ˆ устойчивость во времени (время уменьшения объема пены наполовину)
Устойчивость пен бывает:
ˆ кинетическая (седиментационная) – способность противостоять силе тяжести
(не оседать, не уменьшать объем)
ˆ агрегативная – способность сохранять неизменными размеры частиц ДФ (пу- зырьков) и их индивидуальность.
Для стабилизации пен используют специальные добавки - стабилизаторы. К ним относятся:
1) загустители (глицерин, этиленгликоль, метилцеллюлоза)
2) вещества, вызывающие образование в пленках жидкости коллоидных частиц:
замедление обезвоживания пленок (коллоидные стабилизаторы – желатин,
клей, крахмал, агар-агар)
3) вещества, полимеризующиеся в объеме пены (латексы)
4) вещества, образующие с пенообразователями нерастворимые в воде высоко- дисперсные осадки – бронирование пен (соли железа, меди, бария)
5) вещества, участвующие в построении адсорбционных слоев на границе разде- ла фаз «жидкость - газ» (жирные спирты, например, тетрадеканол)
97
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД