Следующая страницаСодержаниеПредыдущая страница

4.5.1. Общие принципы управления структурообразованиемв дисперсных системах

Имеется определенная аналогия между предельным разрушением структуры в дисперсных системах с помощью внешних воздействий и самопроизвольным диспергированием при получении коллоидных систем.

Самопроизвольное диспергирование происходит в том случае, если кинетическая энергия частиц компенсирует свободную энергию образования новой поверхности. Критерий такого диспергирования, предложенный П.А. Ребиндером, имеет вид

s dA £g P dV + g' kT , (2.4.66)

где s– межфазовое натяжение; dA– увеличение межфазовой поверхности при отделении элемента объема dV; Р– интенсивность напряженного состояния в элементе объема dV; g и g '– безразмерные коэффициенты.

При рассмотрении процесса разрушения структуры в дисперсных системах по аналогии с уравнением (2.4.66) используют уравнение

s dA £g P dV + g' kT + mv2/2 + St , (2.4.67)

где mv2 /2 – средняя кинетическая энергия, сообщаемая частице массой m внешними механическими воздействиями; v – скорость движения частицы относительно контактирующих с ней; St– суммарная энергия воздействия внешних силовых полей, например, магнитного, электрического и т. д.

Вклад в разрушение структуры кинетической энергии, а также внешних силовых полей, может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, какие изменения произойдут в напряженности контактов между частицами при внешнем воздействии.

При разрыве контактов между частицами в единице объема изменение энергии Гиббса составит

dG = n s dA , (2.4.68)

где n – число контактов между частицами в единице объема дисперсной системы.

Если рассматривать структурированную систему, образованную из сферических частиц, то

n = (3/2)Z j /(pd 2) , (2.4.69)

где Z– координационное число (число частиц, взаимодействующих с заданной частицей); j – объемная доля дисперсной фазы; d – характеристический размер частицы (диаметр, длина ребра куба и т.д.)

После интегрирования уравнения (2.4.68) с учетом уравнения (2.4.69) получаем

DG = s DA (3/2)Z j / (pd 2). (2.4.70)

Учитывая (2.4.67) и (2.4.70), можем записать для различных видов работы, которую следует затратить для разрушения структуры,

s DA (3/2)Z j / (pd 2)£ Ep + Ek + Ec + Es , (2.4.71)

где Ер– потенциальная энергия взаимодействия частиц в единице объема; Еk– суммарная энергия теплового движения частиц в единице объема; Ес– кинетическая энергия частиц, сообщаемая всем частицам в единице объема внешним воздействием (перемешивание, вибрация, ультразвук и т.д.); Еs– энергия воздействия на все частицы магнитного или электрического поля.

В левой части соотношения (2.4.71) при постоянной концентрации дисперсной фазы и неизменности размера частиц при разрушении структуры в дисперсной системе и с учетом того, что DА и Z также определяются концентрацией и размером частиц, единственной переменной величиной оказывается межфазовое натяжение. Учитывая это, можно наметить следующие пути управления структурированием и деструкцией в коллоидных системах:

1) снижение межфазового натяжения при введении ПАВ, что способствует разрушению структуры;

2) увеличение энергии взаимодействия частиц, например, при их флокуляции частиц полимерными молекулами, что повышает прочность структуры;

3) повышение энергии теплового движения (т.е. рост температуры), что снижает прочность структуры;

4) внешнее воздействие при определенной интенсивности, соизмеримой с энергией потенциального минимума, что разрушает коагуляционные контакты, а при энергии, соизмеримой с величиной потенциального барьера энергии отталкивания частиц, приводит к упрочнению структуры;

5) воздействие внешних полей, энергия которых также может вносить как положительный, так и отрицательный вклад в изменение прочности структуры в зависимости от изменений напряженности контактов и средней кинетической энергии частиц, вызываемых этими полями.


Следующая страницаСодержаниеПредыдущая страница
Плохо отображается? Напишите ниже или на почту