Структурированные дисперсные системы

В процессе коагуляции в коллоидном растворе происходит образование пространственной сетки из частиц дисперсной фазы – образуется структура.

В соответствии с потенциальной кривой взаимодействия коллоидных частиц (см. рис. 10.2) коагуляция может соответствовать первичному (I) или вторичному (II) минимуму.

В первом потенциальном минимуме частицы находятся в непосредственном контакте, между ними возникает химическое взаимодействие (возникают химические связи), приводящее к образованию компактного осадка.

Во втором потенциальном минимуме взаимодействующие частицы разделены слоем дисперсионной среды, непосредственного контакта нет, возникают межмолекулярные силы притяжения. Таким образом, возникают различные по характеру структуры.

П. А. Ребиндер предложил подразделить структурированные системы на два класса, исходя из типа взаимодействий:

• коагуляционные структуры (тиксотропно – обратимые гели);

• конденсационно-кристаллизационные структуры (необратимо разрушающиеся).

 

КОАГУЛЯЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ

Структура образуется за счет сцепления частиц ван – дер – ваальеовыми силами через прослойки дисперсионной среды в рыхлые каркасы – гели. Свойства таких структур определяются не столько механическими свойствами самих частиц, сколько характером и особенностями межчастичных взаимодействий и свойствами прослоек дисперсионной среды.

Для этих стуктур характерны следующие свойства:

• тиксотропия;

• синерезис;

• небольшая прочность;

• набухание;

• ползучесть.

Наличие жидкостной прослойки между частицами обусловливает небольшую прочность структуры, вместе с тем придает ей пластичность, а в некоторых случаях и эластичность. Чем толще прослойка среды, тем меньше сказывается действие межмолекулярных сил, тем менее прочна структура и тем жидкообразнее система. На процесс гелеобразования влияют следующие факторы.

1. Концентрация дисперсной фазы: с повышением частичной концентрации возрастает число контактов и скорость их возникновения.

2. Размеры частиц: чем они меньше при постоянной массовой концентрации дисперсной фазы, тем больше образуется контактов.

3. Форма частиц: гелеобразование облегчается, если частицы анизодиаметричны[11] и имеют углы, ребра и т. д. В этих местах двойные электрические слои или сольватные оболочки наименее развиты и слипание частиц облегчается.

4. Температура: при повышении температуры скорость гелеобразования увеличивается. Однако в результате повышения интенсивности броуновского движения гели могут переходить даже в неструктурированные жидкости.

5. Механическое воздействие: обычно перемешивание препятствует образованию геля. Однако в некоторых случаях скорость образования геля из агрегативно неустойчивого золя с сильно анизодиаметричными частицами (например, золь V₂O₅) можно значительно увеличить, если сосуд медленно вращать. Это явление получило название реопексии (греч. образование геля при движении). Однозначного объяснения этого явления нет, но некоторые ученые считают, что причиной реопексии является возникновение в системе турбулентности, ускоряющей установление контактов между частицами.

Рассмотрим некоторые свойства коагуляционных структур.

 

ТИКСОТРОПИЯ

Тиксотропией называется способность коагуляционных структур после их механического разрушения самопроизвольно восстанавливать во времени свою структуру.

Таким образом, тиксотропия – это обратимый переход золь гель, протекающий при механическом воздействии. Тиксотропия характеризуется величиной – тиксотропным периодом.

Тиксотропный период – время, за которое система восстанавливает структуру после снятия механического воздействия.

Тиксотропный период может меняться в широких пределах. В спокойном состоянии система представляет собой пластическое твердообразное тело, которое не течет под действием силы тяжести. После встряхивания система настолько разжижается, что легко вытекает из сосуда. Через определенное время она снова становится нетекучей.

 

СИНЕРЕЗИС

 

Синерезисом называется явление самопроизвольного уменьшения размеров геля за счет выделения дисперсионной среды, содержавшейся в структуре геля.

Синерезис обусловлен возрастанием во времени числа и прочности контактов между частицами, а в некоторых случаях – возникновением кристаллизационных мостиков между частицами. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело. Самопроизвольный переход коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную с «выжиманием» жидкости – типичный пример синерезиса.

Синерезису благоприятствуют все факторы, которые cпособствуют коагуляции:

• в введение электролита – коагулянта;

• в повышение температуры;

• введение в систему десольватирующих агентов и т. д.

 

НАБУХАНИЕ

 

Системы с коагуляционной структурой, из которых высушиванием удалена дисперсионная среда (ксерогели), способны в той или иной степени поглощать эту среду при контакте с ней. При этом происходит раздвижение элементов структуры геля и заполнение образовавшихся промежутков дисперсионной средой. Этот процесс называется набуханием. Очевидно, что набухание является процессом, обратным синерезису. Вследствие того, что при образовании пространственной структуры лиофобных систем места контактов закрепляются довольно прочно, лиофобные ксерогели набухают незначительно.

Со свойством ползучести мы встретимся позднее.