Седиментационная устойчивость

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

Седиментационная устойчивость суспензии – это способность ее сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.

Так как большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, которые не могут участвовать в броуновском движении, суспензии являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами. Если плотность частиц меньше плотности дисперсионной среды, то они всплывают, а если больше – оседают.

Изучение седиментации суспензий связано, в первую очередь, с получением кривых накопления осадка (кривых седиментации) т = f(t). Кривые накопления могут быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментации зависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивой или нет. Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно, увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точка перегиба. Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляции), то на кривой седиментации перегиб отсутствует. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.

В агрегативно устойчивых суспензиях оседание частиц происходит медленно и формируется очень плотный осадок. Объясняется это тем, что поверхностные слои препятствуют агрегированию частиц; скользя, друг по другу, частицы могут перейти в положение с минимальной потенциальной энергией, т. е, с образованием упаковки, близкой к плотнейшей. В этом случае расстояние между частицами и координационное число (число соседних частиц) в осадке такой седиментирующей, но предельно стабилизированной суспензии, определяется соотношением между:

• силой тяжести;

• межмолекулярным притяжением частиц;

• силами отталкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную

устойчивость суспензии.

В агрегативно неустойчивых суспензиях оседание частиц происходит значительно быстрее вследствие образования агрегатов. Однако выделяющийся осадок занимает гораздо больший объем, так как частицы сохраняют то случайное взаимное расположение, в котором они оказались при первом же контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с их силой тяжести или больше ее. Наблюдается анизометрия (т. е. преобладание одного из размеров частицы над двумя другими) образующихся агрегатов или флокул. Исследования показывают, что наиболее вероятны цепочечные и спиральные первоначальные агрегаты, из которых затем получаются осадки большого седиментационного объема.

Различие седиментационных объемов агрегативно устойчивых и неустойчивых систем наиболее четко проявляется, если частицы имеют средние размеры. Если частицы крупные, то, несмотря на то, что суспензия агрегативно неустойчивая, осадок получается более плотным из-за значительной силы тяжести, зачастую преобладающей над силами сцепления между частицами. Если же частицы очень мелкие, то и в агрегативно устойчивой системе из-за малой силы тяжести образуется чрезвычайно подвижный осадок.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

Агрегативная устойчивость суспензии – это способность сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т. е. размеры частиц и их индивидуальность.

Агрегативная устойчивость разбавленных суспензий весьма сходна с агрегативной устойчивостью лиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устойчивыми системами, так как содержат более крупные частицы и, следовательно, имеют меньшую свободную поверхностную энергию.

При нарушении агрегативной устойчивости суспензии происходит коагуляция – слипание частиц дисперсной фазы. Коагуляция – это самопроизвольный процесс, так как сопровождается уменьшением свободной энергии системы за счет уменьшения межфазной поверхности. Этот процесс аналогичен тому, который происходит в лиозолях, более того, коагуляция лиозолей приводит к образованию суспензий и далее может продолжаться в них, приводя к образованию осадка. Этот осадок часто является концентрированной суспензией (пастой) – т. е. структурированной системой, свойства которой будут рассматриваться в отдельном разделе.

Для достижения агрегативной устойчивости суспензии необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

• смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной

средой;

• наличие стабилизатора.

Первое условие. Если частицы суспензии хорошо смачиваются дисперсионной средой, то на их поверхности образуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты. Хорошая смачиваемость частиц наблюдается в суспензиях полярных частиц в полярных жидкостях и неполярных частиц в неполярных жидкостях.

Примером агрегативно устойчивых суспензий без стабилизатора с сольватационным механизмом устойчивости являются суспензии кварца в воде и сажи в бензоле. Так как кварц хорошо смачивается водой, а сажа – бензолом, эти суспензии агрегативно устойчивы без третьего компонента – стабилизатора. Если заменить дисперсионную среду, исключая тем самым смачивание (например, размешать порошок сажи в воде), то получается агрегативно неустойчивая система – частицы сажи водой не смачиваются, гидратная оболочка не образуется и незащищенные частички легко соединяются друг с другом.

Второе условие. Если частицы суспензии не смачиваются или плохо смачиваются дисперсионной средой, то используют стабилизатор.

Стабилизатор – это вещество, добавление которого в дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т. е. препятствует слипанию частиц.

В качестве стабилизаторов суспензий применяют:

• низкомолекулярные электролиты;

• коллоидные ПАВ;

• ВМС.

Механизм их стабилизирующего действия различен, в зависимости от природы стабилизатора реализуется один, а чаще несколько факторов устойчивости, аналогично тому, как это происходит в лиофобных золях. Отметим возможные факторы устойчивости: адсорбционно – сольватный, электростатический, структурно – механический, энтропийный, гидро – динамический.

Если стабилизатор является ионогенным веществом (распадается в растворе на ионы), то обязательно действует электростатический фактор устойчивости: на поверхности частиц образуется двойной электрический слой, возникает электрокинетический потенциал и соответствующие электростатические силы отталкивания, препятствующие слипанию частиц. Электростатическое отталкивание частиц описано теорией ДЛФО (см. раздел 10.4). Если это ионогенное вещество – низкомолекулярный неорганический электролит, то его стабилизирующее действие ограничивается только этим фактором. Если же ионогенное вещество – коллоидное ПАВ или полиэлектролит, то реализуются и другие факторы устойчивости, рассмотрим их подробнее.

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ

КОЛЛОИДНЫХ ПАВ

Стабилизирующее действие коллоидных ПАВ определяется их способностью адсорбироваться на межфазной поверхности, образуя адсорбционные пленки. Вследствие высокой поверхностной активности концентрация ПАВ в поверхностном слое в десятки тысяч раз превышает объемную концентрацию, поэтому в адсорбционных пленках, так же как и в мицеллах ПАВ, происходит ассоциация неполярных групп. Строение адсорбционного слоя зависит от:

• природы ПАВ;

• природы межфазной поверхности (границы: «твердая частица – жидкая

среда»);

• степени заполнения поверхности;

• наличия в дисперсионной среде различных добавок. Изменение строения

адсорбционного слоя отражается на его защитных свойствах.

Коллоидное ПАВ, имея дифильное строение, способно адсорбироваться как на полярных, так и на неполярных поверхностях, лиофялизируя их.

В соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера стабилизирующее действие ПАВ проявляется тем заметнее, чем больше первоначальная разница в полярностях твердой частицы и жидкой дисперсионной среды. Таким образом, при использовании в качестве стабилизатора коллоидного ПАВ реализуется адсорбционно – сольватный фактор устойчивости. Например, чтобы получить суспензию сажи в воде (рис 15.1), используют олеат натрия, который неполярным углеводородным радикалом адсорбируется на частицах сажи, а полярная группа, направленная в сторону воды, ею гидратируется и тем самым поверхность частицы становится смачиваемой водой (гидрофилизируется), суспензия стабилизируется. Аналогичный процесс мы проводим, когда моем руки, загрязненные сажей, или моем посуду после жирной пищи.

Олеат натрия можно использовать и для стабилизации суспензии силикагеля (SiO₂) в бензоле (неполярная жидкость) (рис. 15.2).

В этом случае олеат натрия будет адсорбироваться на поверхности твердой частицы своей полярной группой, направляя углеводородный радикал в сторону бензола. Тем самым поверхность силикагеля становится гидрофобной, бензол ее смачивает, и суспензия стабилизируется.

Но лучший стабилизирующий эффект достигается при более специфическом выборе ПАВ. Подбор ПАВ для стабилизации суспензий различного типа сходен с подбором ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Если необходимо стабилизировать суспензию полярных частиц в неполярной жидкости, то используется коллоидное ПАВ с низкими значениями чисел ГЛБ, обычно 3 – 6, т. е. малорастворимые в воде, известны случаи стабилизации ПАВ с 30 атомами углерода в цепи.

В пищевой промышленности для этих целей используются липоиды (лецитин), ланолин и т. д.

Если необходимо стабилизировать суспензию неполярных частиц в полярной жидкости, то применяются коллоидные ПАВ с высокими значениями чисел ГЛБ, обычно 8 – 13, т. е. достаточно хорошо растворимые в воде, такие соединения содержат 10 – 18 атомов углерода в цепи.

Максимум стабилизирующих свойств наблюдается у ПАВ с 14 – 16 атомами углерода (так называемый максимум Донана). В пищевой промышленности для этих целей часто используют пропиловый спирт, соли высших карбоновых кислот и т. д.

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВМС

И ПОЛИЭЛЕКТРОЛЯТОВ

Строго говоря, в качестве стабилизаторов дисперсных систем, в том числе и суспензий, молено использовать только такие ВМС, которые являются поверхностно – активными веществами и их надо было бы называть поверхностно – активными высокомолекулярными веществами (ПАВМС или ВМПАВ). Чтобы оказать защитное действие, молекулам полимера необходимо адсорбироваться на поверхности частицы, а это может произойти только в том случае, если при этом уменьшится поверхностное натяжение на границе раздела фае. Эти вещества отличаются от коллоидных ПАВ тем, что для них характерно возникновение структурно – механического фактора устойчивости.

Таким образом, если в качестве стабилизатора применяются ВМС, то механизм их действия аналогичен механизму коллоидной защиты лиофобных золей: адсорбция молекул полимера на твердых частицах приводит к воз – никновению защитной оболочки, обладающей механической прочностью и упругостью, причем отмечено, что адсорбция ВМС является необратимой. Для этого вокруг частицы должен существовать избыток макромолекул, необходимый для образования насыщенного монослоя или даже полислоя. Электронномикроскопические снимки непосредственно доказали наличие таких защитных оболочек. Например, адсорбционные слои метилцеллюлозы на частицах полистирола имеют толщину 70 – 100 . Таким образом, возникает структурно – механический фактор устойчивости, полностью предотвращающий коагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта. Он играет главную роль в обеспечении агрегативной устойчивости суспензий. Обычно он сопровождается энтропийным фактором устойчивости, вклад которого достаточно велик. Это обусловлено тем, что при сближении частиц, стабилизированных молекулами ВМС, уменьшается число возможных конформаций молекул полимера, а это приводит к уменьшению энтропии системы, поэтому частицы стремятся оттолкнуться друг от друга.

Если в качестве ВМС используются полиэлектролиты, то к этим двум факторам добавляется и третий – электростатический фактор устойчивости. Полиэлектролиты – стабилизаторы применяются для водных суспензий, т. е. для стабилизации гидрофобных частиц в полярных жидкостях. Наиболее распространенные водорастворимые полиэлектролиты – это белковые вещества, альгинаты, карбоксиметилцеллюлоза, алкилполиамин и т. д.

СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ

При использовании ВМС в качестве стабилизаторов суспензий надо помнить о таком явлении как сенсибилизация. Сенсибилизация – явление уменьшения агрегативной устойчивости системы при добавлении к ней высокомолекулярных соединений.

Ранее это явление рассматривалось в отношении лиофобных золей, но оно характерно и для суспензий. Сенсибилизация, как правило, обнаруживается при малом содержании макромолекул в дисперсионной среде и объясняется образованием между отдельными частицами мостиков стабилизатора. В суспензиях каолина и полистирола возникновение мостиков доказано электронномикроскопическими исследованиями: концентрациям метилцеллюлозы до 1 – 2% от веса твердой фазы обычно отвечает неустойчивое, а выше 4% – устойчивое состояние суспензии.

Таким образом, решающее влияние на защитное действие макромолекул оказывает соотношение между количеством полимера и удельной поверхностью частиц.

Для стабилизации суспензии полистирола необходима поверхностная концентрация метилцеллюлозы 6•10 ⁴ г/м². Аналогичные соотношения установлены и для других ВМС.

В заключение можно сказать, что агрегативная устойчивость суспензий в сильной степени зависит от специфического взаимодействия макромолекул с поверхностью частиц дисперсной фазы. Следовательно, выбор ВМС для стабилизации суспензии носит, во многом, эмпирический характер.

МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ

РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ

Задача разрушения суспензий является весьма насущной, так как сточные воды промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также бытовые стоки – это,

в той или иной степени, разбавленные суспензии. Следовательно, очистка сточных вод от твердых частиц – это разрушение суспензий. Существует множество методов разрушения суспензий.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Они основаны на отделении вещества дисперсной фазы от дисперсионной среды, возможном благодаря седиментационной неустойчивости суспензии. Для этого используют различные устройства: отстойники, фильтры, центрифуги. Механические методы разрушения используются, как правило, на завершающем этапе, когда агрегативная устойчивость суспензий уже отсутствует или значительно снижена.

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Они основаны на изменении температуры суспензии. Их можно свести к двум типам:

1) замораживание суспензий с последующим их оттаиванием;

2) высушивание суспензий (по сути, их концентрирование).

Эти методы требуют больших энергетических затрат и, как правило, не используются в промышленных масштабах, когда требуется разрушить большие объемы суспензий.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Эти методы основаны на использовании химических реагентов, поэтому их часто называют реагентными методами разрушения суспензий. Химическое действие реагентов может быть различным, но цель добавления химических реагентов одна – понизить агрегативную устойчивость суспензии, т. е. уничтожить потенциальный барьер коагуляции, Е зависимости от факторов устойчивости, которые реализовывались в данной суспензии, и стабилизаторов, которые в ней присутствовали, подбирают необходимые химические реагенты.

Для эффективного разрушения суспензии надо предварительно выяснить ее фактор устойчивости.

Если главный фактор устойчивости суспензии – электростатический, т. е. обусловлен наличием на поверхности твердой частицы ДЭС и дзета – потенциала (суспензия стабилизирована низкомолекулярным неорганическим электролитом), то необходимо использовать химические реагенты, уменьшающие абсолютное значение дзета – потенциала частицы вплоть до нуля. В качестве таких химических реагентов используются индифферентные электролиты. Кстати сказать, плодородные дельты больших рек – Тигра, Евфрата, Нила, Волги и т. д. – воз – никли в результате того, что частички плодородных почв и ила, присутствовавшие в речной воде в виде суспензии, при встрече с соленой водой морей и океанов (содержавшей ионы Na⁺, Сl, К⁺ и т. д.) коагулировали и выпали в осадок, образовав дельты рек.

Если в суспензии в качестве стабилизатора использовалось коллоидное ПАВ, т. е. реализовывался адсорбционно – сольватный фактор устойчивости, то химический реагент должен его снизить. Действовать можно в двух направлениях:

1) изменить химическую природу стабилизатора; например, из растворимого в воде олеата натрия получить нерастворимый олеат кальция:

2C₁₇H₃₃COONa + СаС1₂ = (С₁₇Н₃₃СОО)₂Са + 2NaCl;

2) не изменяя химической природы стабилизатора, изменить строение адсорбционного слоя. Например, уменьшить смачиваемость частицы дисперсионной средой, образуя на ней второй слой молекул ПАВ, противоположно ориентированных.

Если суспензия стабилизирована амфолитным полиэлектролитом, то эффективным является приближение рН – среды к его изоэлектрической точке.

Для разрушения суспензий, частицы которых имеют заряд, широко используется гетерокоагуляция – слипание разнородных частиц. Если в исходной суспензии частицы были положительно заряжены, то в нее полезно добавить многозарядные анионы (в виде хорошо растворимых солей).

В том случае, когда в исходной суспензии присутствуют только отрицательно заряженные частицы дисперсной фазы, эффективным является добавление солей алюминия или железа, например, сульфата алюминия или хлорида железа. В результате гидролиза этих солей образуются положительно заряженные золи гидроксидов алюминия или железа, которые вызывают взаимную коагуляцию взвешенных отрицательных частиц суспензии.

Весьма эффективно применение коагулянтов с повышенной основностью, например, гидроксосульфатов и гидроксохлоридов железа и алюминия. Они проявляют себя в виде полимерных гидроксокомплексов, которые дают прочные крупные хлопья. Наиболее оптимальными являются смеси этих солей.

В процессе гидролиза коагулянта образуются положительно заряженные полиядерные акзагидроксокомплексы металла, которые слипаются с отрицательно заряженными частицами суспензии.

Из хлорсодержащих соединений алюминия наибольшее распространение получили хлорид алюминия и гидроксохлориды алюминия. Гидроксохлориды алюминия – это соединения переменного состава, которые выражаются общей формулой [А1(ОН)_{3 -}_x Cl _x] _n, где х меняется от 0 до 3.

В настоящее время преимущественно используется пентагидроксохлорид алюминия А1₂(ОН)₅С1, так как он имеет меньшую кислотность, интенсифицирует хлопьеобразование, дает малое остаточное содержание алюминия, его растворы не требуют использования нержавеющих сталей и противокоррозийной защиты аппаратов и оборудования.

Эффективным методом понижения агрегативной устойчивости суспензий является сенсибилизация. Для этого обычно используются флокулянты – линейные полимеры с длиной цепочки до 1 мк, несущие полярные группы на обоих концах цепи. Длинная молекула полимера присоединяется двумя концами к двум разным частицам дисперсной фазы, скрепляя их углеводородным мостиком. Образуются флокулы – рыхлый хлопьевидный осадок.

Частицы различного происхождения имеют различное распределение зарядов, гидрофильных и гидрофобных областей на поверхности. Вследствие этого не представляется возможным применение некоего универсального полимерного флокулянта, необходим набор флокулянтов.

Полиакриламид, ПВС, ПДМДА являются наиболее широко применяемыми флокулянтами, выпускаемыми отечественной промышленностью. Из зарубежных флокулянтов, имеющих доступ на российский рынок, высокими фло – кулирующими свойствами обладают японские санфлоки:

N – 520p, АН – 70р, AS – З0р, А1 – 310р, А1 – 110р, СН – 799.

Необходимая концентрация флокулянта в суспензии зависит от концентрации в ней взвешенных частиц. Количество флокулянта должно составлять 0,01 – 2% от массы твердой фазы. В противном случае может быть достигнут обратный эффект – произойдет коллоидная защита взвешенных частиц.

Способ внесения полимера существенно сказывается на результатах коагуляции суспензии. Установлено, что лучше всего флокулянт добавлять дробно в виде двойной добавки, т. е. вся доза флокулянта первоначально добавляется к половине объема суспензии, а через некоторое время этот раствор сливается со второй половиной исходной суспензии.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Эти методы используются в тех случаях, когда частицы в суспензиях имеют заряд, т. е. стабилизированы ионогенными веществами. В разрушаемой суспензии создается разность потенциалов, приводящая к направленному движению заряженных частиц и осаждению их на соответствующем электроде. Эти методы требуют больших энергетических затрат и специального оборудования и обычно не используются для разрушения больших объемов суспензий.

ПАСТЫ

Пасты – это высококонцентрированные суспензии, обладающие структурой. Структура – это пространственная сетка, образованная частицами дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная среда.

Можно сказать, что пасты занимают промежуточное положение между порошками и разбавленными суспензиями. Их и получают, соответственно:

• растирая порошок в жидкости, обладающей достаточно большой

вязкостью; например, некоторые сорта зубной пасты готовят путем

смешивания мела с вязкой жидкостью, полученной путем варки крахмала

в глицериновом водном растворе с добавлением небольшого количества

ПАВ;

• в результате седиментации разбавленной суспензии.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СУСПЕНЗИЯХ

Определяющей характеристикой пасты, независимо от метода получения, является наличие в ней структурно – пространственного каркаса, образованного сцеплением между собой частиц дисперсной фазы. Минимальную концентрацию, при которой возникает такая структура, называют критической концентрацией структурообразования.

Возможность образования структуры определяется соотношением между относительной силой тяжести частицы (V •(р – р ) • g) и силой сцепления ее с соседними частицами ( Р_к).Чем больше преобладают силы сцепления между соседними частицами над силой тяжести, тем более прочная образуется структура.

На структурообразование влияют следующие основные факторы:

• агрегативная устойчивость разбавленной суспензии, из которой получают

пасту (величина Р_к);

• концентрация частиц дисперсной фазы;

• размеры частиц дисперсной фазы (ее дисперсность);

• форма частиц дисперсной фазы.

РОЛЬ АГРЕГАТИВНОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

Как было установлено выше, разбавленные суспензии являются седиментационно неустойчивыми системами, в них самопроизвольно образуется осадок, объем которого определяется не только количеством частиц, но и тем, в какой суспензии происходит седиментация – в агрегативно устойчивой или агрегативно неустойчивой. В агрегативно устойчивых суспензиях в результате седиментации образуется компактный осадок с упаковкой частиц дисперсной фазы, близкой к плотнейшей. Структура в таких осадках или не образуется вовсе или очень непрочная, так как Р_к (сила сцепления в контакте частиц) близка к нулю, поскольку межчастичные связи в агрегативно устойчивых суспензиях практически отсутствуют.

По мере снижения агрегативной устойчивости межчастичные взаимодействия нарастают, Р_к увеличивается, что способствует возникновению и упрочнению структуры.

Обычно структуру в системе количественно оценивают с помощью реологических кривых – зависимости скорости деформации () от напряжения сдвига (Р). Подробнее см. раздел 11.3.

РОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ

ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

Зависимость структуре образования от концентрации суспензии имеет сложный характер. Весь концентрационный интервал делится на три части, разграничивающие качественно различные состояния системы. В области малых концентраций (1-я часть) суспензия является бесструктурной. В области средних концентраций, но меньших, чем критическая концентрация структурообразования (2-я часть), появляются отдельные структурные элементы (агрегаты), не связанные между собой. Такую систему можно назвать структурированной жидкообразной системой (Р_т = 0). В области концентраций больших или равных критической концентрации структурообразования (3-я часть) суспензии имеют предел текучести, т. е. в них возникает и развивается структура. Такую систему молено назвать структурированной твердообразной системой (Р_т > О).

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

(СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ)

НА СТРУКТУРООБРА30ВАНИЕ В СУСПЕНЗИЯХ

Увеличение дисперсности суспензии способствует структурообразованию. Этот процесс резко интенсифицируется с уменьшением размера частиц. И лишь при переходе в область размеров частиц коллоидной дисперсности по мере возрастания степени их участия в броуновском движении процессу структурирования начинает сопутствовать альтернативный — самопроизвольное диспергирование (дезагрегирование). Наибольший размер частиц, при котором возможно образование структуры, называется критическим (d_Kp). Его можно определить из условия соизмеримости сил сцепления между частицами в структурной сетке и их весом. Хотя в каждом конкретном случае прочность элементарных контактов между частицами и соответственно прочность возникающих в них структур зависят от физических свойств и химической природы поверхности твердой фазы, состава и свойств дисперсионной среды, наибольший размер частиц, при котором начинает проявляться агрегирование и образование пространственной структуры, составляет 10 ⁶ – 10 ⁴ м.

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЧАСТИЦ

НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В СУСПЕНЗИЯХ

Если частицы анизометричны и имеют форму нитей (палочек), пластинок или цепочек, длина которых существенно превышает ширину и толщину, но абсолютное значение длины частиц весьма мало, сцепление частиц будет происходить по углам, ребрам и другим неровностям, на участках наибольшей концентрации свободных молекулярных сил, где происходит разрыв адсорбционно – сольватных оболочек дисперсионной среды, необходимый для возникновения межчастичных связей.

В основе образования этих структур лежит обычный коагуляционный механизм, но только места сосредоточения молекулярных сил должны быть распределены преимущественно по углам и ребрам частиц твердой фазы.

Чем сильнее анизометрия частиц и агрегатов, тем при меньшей концентрации частиц появляется предел текучести (т. е. возникает структура), например, у суспензии кизельгура (мягкая пористая горная порода), частицы которого имеют вид пленкоподобных неправильных пластинок, предел текучести наблюдается уже при концентрации около 3,0% (об). Нитевидные молекулы органических полимеров, особенно с полярными группами, придающими жесткость макромолекулам, образуют твердообразные структуры в водной среде при очень малых концентрациях полимера (агар 0,1%, желатин 0,5%). Придание же частицам формы, близкой к сферической, способствует достижению высоких значений концентраций при сохранении текучести суспензии (т. е. противодействует структурообразованию).

Таким образом, мы рассмотрели влияние на структурообразование каждого из четырех факторов по отдельности. Совместное их действие можно оценить по величине предельного напряжения сдвига (Р _т ), рассчитанного по следующей приближенной зависимости:

Р _т= . (15.1)

где а – коэффициент, учитывающий геометрию упаковки частиц, а 1; _CB – среднее значение силы сцепления в контакте; – функция концентрации; ₀ – средний характерный размер частиц.

Из уравнения видно, что предельное напряжение сдвига (Р _т), также как и вязкость системы, резко возрастает с уменьшением среднего характерного размера. Величина =n характеризует число контактов между частицами в единице объема; это число обратно пропорционально квадрату радиуса частиц. Сила же сцепления между частицами _CB растет пропорционально радиусу частиц. Поэтому в целом Р _т растет обратно пропорционально радиусу частиц .

СВОЙСТВА ПАСТ

Так как пасты – структурированные системы, определяющими являются их структурно-механические свойства, которые характеризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность. Пасты обладают упруго – вязко – пластическими свойствами.

Пасты имеют коагуляционную структуру, поэтому их механические свойства определяются, главным образом, механическими свойствами межчастичных жидких прослоек. Через эти прослойки действуют силы притяжения между частицами, зависящие от расстояния между ними (толщины прослоек) и обусловленные ван – дер – ваальсовыми и водородными связями. Прочность коагуляционного контакта составляет величину порядка 10 ¹⁰ Н и ниже. Причем, прочность контакта могут уменьшать силы отталкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную устойчивость суспензии, именно поэтому структуры в агрегативно устойчивых суспензиях не образуются или, если и образуются, то очень непрочные.

Таким образом, механические свойства паст обусловливаются совокупностью двух различных основных причин:

1) молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в

местах контакта, там, где толщина прослоек дисперсионной среды между

ними минимальна. В предельном случае возможен полный фазовый

контакт. Коагуляционное взаимодействие частиц вызывает образование

структур с выраженными обратимыми упругими свойствами;

2) наличием тончайшей пленки в местах контакта между частицами.

Коагуляционные структуры отличаются резко выраженной зависимостью структурно – механических свойств от интенсивности механических воздействий. Примером исключительной чувствительности структурно – механических свойств коагуляционных структур к механическим воздействиям является зависимость равновесной эффективной вязкости (р) от скорости деформации или напряжения сдвига Р. Уровень (р) отвечает вполне определенной степени разрушения трехмерного структурного каркаса в условиях деформации системы. Диапазон изменений (р) = f(P) может достигать 9 – 11 десятичных порядков.

Для паст, так же как и для любой коагуляционной структуры, характерны следующие свойства: невысокая механическая прочность (обусловлена малой прочностью коагуляционного контакта – порядка 10 ¹⁰ Н и ниже), тиксотропия, синерезис, ползучесть, пластичность, набухание (см. раздел 11.1).

Рассмотрим наиболее типичные из этих свойств применительно к пастам.

ТИКСОТРОПИЯ

Восстановление структуры обычно контролируется по увеличению вязкости системы, поэтому явление тиксотропии молено определить как уменьшение вязкости системы во времени при наложении нагрузки и постепенный рост вязкости после снятия нагрузки. Чем медленнее восстанавливается структура (вязкость) после снятия нагрузки или чем медленнее она разрушается (уменьшается вязкость) при данном напряжении сдвига, тем сильнее выражено явление тиксотропии.

Тиксотропия пасты имеет большое практическое значение. В подтверждение этого рассмотрим некоторые примеры. Тиксотропные свойства бентонитовых глин обусловливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых промывочных растворов в нефтедобывающей промышленности. При работе бура такие растворы ведут себя как типичные жидкости; поток бурового раствора, нагнетаемого в скважину, выносит на поверхность грубодисперсные частицы выбуренной породы. Приостановке бура (например, в случае необходимости удаления труб) возникает опасность быстрого оседания – седиментации выбуренной породы и в результате – заклинивания бура, т. е. серьезной аварии. Тиксотропные свойства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуляционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствующей их оседанию. При возобновлении работы бура коагуляционная структура глинистых частиц легко разрушается, и система вновь приобретает жидкообразные свойства.

Вместе с тем учет тиксотропных свойств грунтов, особенно оводненных глинистых, чрезвычайно важен при разработке технических условий и осуществлении строительства зданий, мостов, при прокладке дорог. Катастрофические провалы на некоторых песчаных грунтах, пропитанных подпочвенной водой (зыбучие пески), также объясняются тиксотропией суспензий: они остаются неподвижными до нарушения их покоя и приобретают текучесть при механическом воздействии на них. По этой же причине строи – тельные растворы доставляют на стройку в специальных машинах, снабженных перемешивающим устройством, предупреждающим преждевременное схватывание раствора, при перевозках на необорудованных машинах необходимо создавать условия постоянного движения в системе.

Тиксотропные свойства структуры пигментов в масляных красках обусловливают технические свойства этого широко используемого материала: перемешивание обеспечивает разрушение коагуляционной структуры пигмента, легкоподвижность материала и тем самым возможность нанесения его требуемым тонким слоем, тогда как быстрое восстановление структуры препятствует отеканию краски с вертикальной поверхности.

Тиксотропия способствует эффективному проведению ряда технологических операций. Например, тиксотропия позволяет проводить вибрационную обработку материалов_, при которой происходит разрушение структуры, что облегчает процессы перемешивания, обеспечивает плотную упаковку, снятие внутренних напряжений и т. д.

Несмотря на огромное практическое значение, строгой количественной теории тиксотропии до настоящего времени не существует.

СИНЕРЕЗИС

Синерезис обусловлен нарастанием числа и прочности контактов между частицами во времени, а в некоторых случаях – появлением кристаллизационных мостиков, соединяющих частицы. Такой процесс срастания частиц может, в предельных случаях, привести к образованию монолитных сплошных тел. Другими словами, в результате синерезиса коагуляционная структура пасты может самопроизвольно перейти в конденсационно – кристалли – зационную с «выжиманием» жидкости. Синерезису благоприятствуют все факторы, способствующие коагуляции, а именно: увеличение концентрации индифферентного электролита, повышение температуры, введение в систему десольватирующих агентов и т. д.

На практике превращение пасты (коагуляционная структура) в монолитное твердое тело (конденсационно – кристаллизационная структура) провоцируется и ускоряется путем высушивания, прессовки и спекания пасты. Например, обжиг гончарных изделий.

Но синерезис играет и отрицательную роль, когда при хранении уплотняется структура, что приводит к ухудшению качества продукта или даже к его полной непригодности. Так, при длительном хранении зубной пасты в результате синерезиса образуются комки с выделением жидкости, что делает зубную пасту непригодной к употреблению. Аналогичный процесс происходит при хранении крем – пудры. Каждый из нас мог бы привести еще множество примеров отрицательной роли синерезиса, но важно сделать вывод, что замедляют его все те факторы, которые замедляют коагуляцию.

НАБУХАНИЕ

Если в пастах частицы связаны довольно прочно, то пасты набухают сравнительно незначительно. Если связи слабые, то в такой пасте структура разрушается и система переходит в разбавленную суспензию (уже бесструктур – ную систему). Если паста имеет очень прочную структуру (т. е связи между частицами очень прочные), то поглощение дисперсионной среды приводит к пластификации, т. е. к резкому понижению прочности, сопровождающемуся, однако, возрастанием пластических свойств пасты.

СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

Пасты, в отличие от разбавленных суспензий, являются седиментационно устойчивыми системами, т. е. они сохраняют неизменным во времени распределение частиц по объему системы, способны противостоять силе тяжести. Главным фактором, ее обеспечивающим, является фиксация положения частиц дисперсной фазы в сплошной пространственной структурной сетке в результате возникновения коагуляционных или атомных контактов между частицами.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

Понятие «агрегативная устойчивость» применительно к пастам существенно отличается от этого понятия применительно к разбавленным суспензиям.

Во – первых, для разбавленных суспензий (бесструктурные системы) существует только два четко выраженных состояния (без каких – либо промежуточных): агрегативной устойчивости и агрегативной неустойчивости, а в пастах возможно множество промежуточных состояний, связанных с ослаблением или усилением связей в структурной сетке. Крайними будут, с одной стороны, состояние, соответствующее образованию и максимальному упрочнению пространственной структурной сетки (уровень вязкости практически неразрушенной структуры ₀ и ее прочности Р _т = Р ), с другой стороны – состояние предельного разрушения структуры (уровень вязкости соответствует наименьшему значению вязкости предельно разрушенной структуры _min и прочность Р _т = 0).

Во – вторых, ласты зачастую получают концентрированием разбавленных суспензий, потерявших свою агрегативную устойчивость, т. е. образование и упрочнение структуры паст – это результат отсутствия агрегативной устойчивости в разбавленных суспензиях.

Таким образом, в пастах, в классическом смысле слова, агрегативная устойчивость изначально отсутствует. Однако этот термин для паст используют, чтобы оценить способность последних сохранять неизменной во времени свою пространственную структуру (в первую очередь – толщину прослоек жидкости и прочность контакта в структурной сетке).

В коагуляционных структурах оболочки жидкой дисперсионной среды при сближении частиц полностью не вытесняются, а принимают минимальную толщину, близкую к бимолекулярному слою. Структурирование в самих пленках дисперсионной среды препятствует дальнейшему уменьшению толщины прослоек. Оно усиливается при использовании стабилизаторов.

В качестве стабилизаторов паст применяют:

1) анионные коллоидные ПАВ;

2) неионогенные коллоидные ПАВ;

3) поверхностно – активные полимеры.

При использовании таких стабилизаторов реализуются, в первую очередь, адсорбционно – сольватный и структурно – механический факторы устойчивости. Являясь ПАВ, они адсорбируются на поверхности твердой частицы и снижают свободную поверхностную энергию, тем самым, делая систему более устойчивой. Но с другой стороны, обладая длинноцепочечным углеводородным радикалом, эти вещества способны образовывать определенную структуру в адсорбционном слое, придающую механическую прочность и упругость защитной оболочке.

Смесь анионоактивного и неионогенного ПАВобладает синергетическим эффектом стабилизирующего действия. Механизм этого эффекта обусловлен образованием смешанного адсорбционного слоя, в результате чего увеличивается вклад адсорбционной и структурной составляющих факторов устойчивости структурно – механического барьера.

Если стабилизатор является ионогенным веществом, то в дополнение к выше отмеченным реализуется электростатический фактор устойчивости, связанный с образованием ДЭС на поверхности частицы и возникновением электростатических сил отталкивания.

РАЗРУШЕНИЕ ПАСТ

Никакие массообменные процессы в структурированных системах нельзя успешно осуществить, не разрушив предварительно в них структуру.

Разрушение пространственных структур в пастах – достаточно сложный процесс, характеризуемый тем, что по мере увеличения степени разрушения существенно изменяется и сам механизм распада структуры.

Можно выделить три основных этапа разрушения структуры:

1) разрушение сплошной структурной сетки, сопровождающееся распадом структуры на отдельные, достаточно крупные агрегаты;

2) разрушение агрегатов, сопровождающееся уменьшением их размера и увеличением их числа, высвобождением из агрегатов и увеличением числа отдельных частиц, образованием новых агрегатов;

3) предельное разрушение структуры при полном отсутствии агрегатов из частиц.

Четкая граница между этими этапами размыта, т. е. переход из одного состояния структуры в другое по мере постепенного увеличения интенсивности внешних воздействий, разрушающих структуру, происходит постепенно.

Однако каждый из этих этапов специфичен. Условия разрушения сплошной структурной сетки кардинальным образом отличаются от условий разрушения агрегатов, «плавающих» в дисперсионной среде, а значит, и параметры внешних воздействий, необходимых для разрушения сплошной структурной сетки и отдельных агрегатов их частиц, не могут не быть существенно различными.

Количественно изменение состояния структуры пасты оценивается совокупностью реологических характеристик, прежде всего вязкостью , напряжением сдвига Р, упругостью Е и периодом релаксации . Наиболее резкоe, на много десятичных порядков, изменение с разрушением структуры претерпевают вязкость и период релаксации.

Для разрушения структуры используются следующие воздействия:

• механическое помешивание;

• вибрация, более эффективной является поличастотная вибрация с

частотой от 10 Гц до 10 кГц;

• ультразвук;

• нагревание;

• электрические и магнитные поля;

• изменение природы поверхности твердых частиц (главным образом, путем добавления коллоидных ПАВ). Часто сочетают механические вибрационные воздействия с ультразвуковыми, тепловыми воздействиями.

Такое сочетание не только существенно изменяет энергию активации процесса разрушения структуры, но в значительной степени сказывается на свойствах конечного продукта.

Совместное действие на пасту вибрации и, например, ультразвука приводит к гораздо большему разрушению структуры и вместе с тем к достижению существенно более высокой ее однородности, чем под влиянием каждого из этих видов воздействий с той же интенсивностью в отдельности.

Важным является сочетание механических воздействий с физико – химическим управлением прочностью сцепления в контактах между частицами путем изменения природы поверхности частиц.

Модифицирование твердых фаз добавками ПАВразличного строения является универсальным методом регулирования силы и энергии взаимодействия в контактах между частицами. Этот эффект – следствие сочетания двух факторов:

• раздвижения частиц на двойную толщину адсорбционного слоя;

• снижения поверхностного натяжения на поверхности частиц.

В последние годы все шире стали применяться методы модифицирования поверхности частиц не индивидуальными ПАВ, а смесями ПАВ различных видов, например, ионогенных и неионогенных.

При правильном подборе нескольких видов ПАВобнаруживается синергизм, т. е. взаимное усиление их действия.

Исключительная эффективность совместного действия вибрации и ПАВ объясняется характером разрушения структуры при вибрации и особенностями действия ПАВ. ПАВ, адсорбируясь в первую очередь на наиболее энергетически активных участках микромозаичной поверхности частиц, ослабляют преимущественно наиболее прочные коагуляционные контакты. Введение в систему ПАВ из расчета образования монослоя на поверхности частиц позволяет почти в 500 раз понизить интенсивность вибрации, необходимую для достижения предельного разрушения структуры.

Не менее эффективно для ряда систем сочетание вибрации, добавок ПАВ и температурных воздействий. В тех случаях, когда вязкость структурированных систем весьма чувствительна к изменению температуры, такое комплексное воздействие наиболее целесообразно. Многие пищевые, в особенности кондитерские массы (шоколадные, пралиновые и т. п.), относятся именно к такого рода системам.

ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ

Свойства суспензий, а также рассматриваемых в главе 5 порошков в значительной степени определяются размерами частиц дисперсной фазы. Дисперсионный анализ – это совокупность методов измерения размеров частиц. При дисперсионном анализе определяют также дисперсность D и удельную поверхность S _УД.

Методы дисперсионного анализа можно разделить на три группы.

1) Методы измерения параметров отдельных частиц (размеров, массы и т. д.)

с последующей статистической обработкой результатов большого числа

измерений:

• методы, в которых линейные размеры частиц измеряют с помощью

оптического микроскопа, который обеспечивает предел измерений от 1 мкм

до нескольких миллиметров, и электронного микроскопа, позволяющего

измерять размеры частиц от 1 нм до нескольких микрон;

• методы, основанные на измерении электрического сопротивления при

пропускании суспензии порошка через тонкий канал с помощью счетчиков

Культера, позволяющие измерять размеры частиц от ОД до 100 мкм;

• методы, в которых измеряют изменения светового потока при пропускании

суспензии через тонкий канал, вызванные попаданием в этот канал частиц

дисперсной фазы. Позволяют измерять размеры частиц от 5 до 500 мкм;

• методы, в которых измеряют интенсивность света, рассеянного единичной

частицей, с помощью ультрамикроскопа или поточного ультрамикроскопа

Дерягина-Власенко (размеры частиц от 2 до 500 нм).

2) Методы, основанные на механическом разделении дисперсной системы

Твердые частицы в силу физико – химической неоднородности своей поверхности обладают лиофобно-лиофильной мозаичностью. Поэтому прочность контактов, возникающих между одними и теми же частицами, может резко (на порядки величин) различаться в зависимости от того, по каким участкам такой контакт осуществляется. Прочность контакта максимальна, если оба участка лиофобны, и минимальна – в случае возникновения контакта по лиофильным участкам.

на несколько классов по крупности частиц:

• ситовый анализ (размеры частиц от 0,05 до 10 мм);

• в разделение частиц в потоке газа или жидкости (размеры частиц от 0,1

до нескольких миллиметров).

3) Методы, основанные на изучении свойств ансамбля частиц:

• методы седиментационного анализа, основанные на регистрации

кинетики накопления осадка. Седиментометр Фигуровского позволяет

определить размеры частиц от 1 до 500 мкм. Применение центрифуг

позволяет снизить предел измерения до 0,1 мкм, а ультрацентрифуг –

до 1 – 100 нм (в этом случае можно измерять даже размеры крупных

молекул);

• методы рассеяния света малыми частицами (нефелометрия и турбодиме –

трия), методы неупругого рассеяния, а также рассеяния рентгеновских

лучей, нейтронов;

• адсорбционные методы, используемые для определения удельной

поверхности частиц. Измеряют количество адсорбированного вещества в

мономолекулярном слое. Наиболее распространен метод низкотем –

пературной газовой адсорбции с использованием азота (аргона, криптона)

в качестве адсорбата. Удельную поверхность высокодисперсной твердой

фазы часто определяют методом адсорбции из раствора, Адсорбатом при

этом служат красители, ПАВ или другие вещества, малые изменения

концентрации, которых легко определяются с достаточно высокой

точностью. Удельную поверхность частиц можно находить также по

теплоте адсорбции (или смачивания). Поточные микрокалориметры

позволяют проводить измерения, как в газовой, так и в жидкой среде.

Разнообразные адсорбционные методы дисперсионного анализа позволя –

ют определять удельные поверхности 10 – 10³ м ²/г, что примерно

соответствует размерам частиц от 10 до 1000 нм;

• методы, основанные на исследовании газопроницаемости слоя анализ –

ируемого вещества при фильтровании через него воздуха при атмосфер –

ном давлении или в вакууме. Эти методы позволяют определять

удельную поверхность;

• в ряде случаев дисперсность порошков измеряют по скорости раствор –

ения теплофизическим, магнитным и другим характеристикам системы,

связанным с размером частиц дисперсной фазы или межфазной

поверхности. Во всех упомянутых методах дисперсионного анализа

получают, как правило, интегральную характеристику, позволяющую

судить о некоторых средних параметрах системы. В некоторых случаях

удается определить также дифференциальную функцию распределения

числа частиц (их объема, массы) по размерам.

Рассмотрим подробнее такие широко распространенные методы дисперсионного анализа, как ситовый и седиментационный.

СИТОВЫЙ АНАЛИЗ

Ситовый анализ – это определение гранулометрического и фракционного состава измельченных сыпучих материалов. Он применим для материалов с размерами частиц 0,05 – 10 мм.

Ситовый анализ осуществляют просеиванием проб материла через набор стандартных сит с квадратными, реже с прямоугольными отверстиями, размер которых последовательно уменьшается сверху вниз. В результате материал распределяется на фракции, в каждой из которых частицы незначительно различаются размерами. Число фракций, получаемых при просеивании через набор из п сит, составляет п + 1 и не должно быть менее 5 и более 20.

Сита изготавливают из плетеных или тканевых сеток (стальная, медная, латунная проволока, шелковая, капроновая, нейлоновая нить) либо штампуют из металлических листов (решетка). Для анализа очень тонких порошков с размерами частиц 0,005 – 0,1 мм применяют микросита, представляющие собой никелевую фольгу с расширяющимися книзу (для предотвращения забивания) квадратными отверстиями. Суммарная площадь отверстия составляет 0,36% от общей площади поверхности сита (эта величина постоянна для всего набора сит).

Сита обозначаются номерами, соответствующими размерам сторон отверстий, выраженным в мм (например, сито № 5 имеет отверстие с длиной стороны 5 мм). Ситовый анализ можно проводить вручную или механически. В зависимости от крупности, свойств материала и необходимой точности анализ проводят сухим или мокрым способом.

СУХОЙ СПОСОБ

СИТОВОГО АНАЛИЗА

При сухом способе проба материала предварительно перемешивается и высушивается при 105 – 110°С. Минимальная масса пробы определяется размерами наиболее крупных частиц, например, для частиц размерами 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 3,0; 5 – 10 мм минимальная масса составляет соответственно 0,015; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 2,25 – 18 кг. Пробу высыпают на верхнее сито и весь комплект сит встряхивают 10 – 30 минут. При просеивании тонкодисперсных материалов, склонных к агрегированию, в нижнее сито помещают резиновые шайбы либо пробки для растирания образовавшихся комков. После просеивания взвешивают на технических весах с точностью до 0,1 г остаток в каждом сите и вычисляют содержание (в % по массе) фракции в исходной пробе.

МОКРЫЙ СПОСОБ

СИТОВОГО АНАЛИЗА

Этот способ используют в случаях необходимости очень точного определения гранулометрического состава порошков, растрескивающихся при температурах ниже 105°С, а также слипающихся или содержащих большое количество мелкой фракции. Мельчайшие частицы отмывают слабой струей воды до тех пор, пока слив не станет прозрачным. Остаток на сите высушивают, взвешивают и по разности масс находят количество отмытого шлама.

Фракции частиц обозначают номерами сит. Например, если фракция получена последовательным просеиванием материала на ситах № 2 и № 1, фракцию обозначают следующим образом: 2 – 1 мм. Результаты ситового анализа представляют графически в виде так называемых кривых распределения. Последние подразделяют на дифференциальные (показывающие процентное содержащиe отдельных фракций) и интегральные (отражающие суммарное процентное содержание всех фракций меньше или больше данного размера).

Зная распределение частиц по их размерам, можно ответить на основные вопросы дисперсионного анализа:

• каковы размеры самой малой и самой большой частицы;

• частиц какого размера больше всего;

• каков фракционный состав системы, т. е. каково процентное содержание

данной фракции в системе. Под фракцией понимается та часть порошка,

размер частиц, в которой отвечает выбранному интервалу размеров. Пример. В данном порошке самая маленькая частица

имеет r = 2,0 • 10 ⁵ м, а самая большая – r = 3,5 • 10 ⁵ м.

Примем, что частицы радиусы, которых не отличаются

больше, чем на 0,3 • 10 ⁵ м, образуют одну фракцию. Тогда:

• 1 – я фракция – все частицы с радиусом (2,0 – 2,3)•10 ⁵ м;

• 2 – я фракция – все частицы с радиусом (2,3 – 2,6)•10 ⁵ м;

• 3 – я фракция – все частицы с радиусом (2,6 – 2,9)•10 ⁵ м;

• 4 – я фракция – все частицы с радиусом (2,9 – 3,2)•10 ⁵ м;

• 5 – я фракция – все частицы с радиусом (3,2 – 3,5)•10 ⁵ м.

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Седиментационный анализ состоит в экспериментальном получении кривой седиментации, т. е. зависимости массы осадка т дисперсной фазы от времени осаждения t.

С процессом седиментации частиц дисперсной фазы мы уже сталкивались (см. раздел 10.1). Вспомним основные закономерности этого процесса.

Если сферическую частицу , радиус которой r и плотность, поместить в жидкость, плотность которой равна , а вязкость , на нее будет действовать сила тяжести (седиментация).

где V – объем частицы, равный , g – ускорение свободного падения.

Как только частица станет оседать, возникнет противодействующая сила – сила трения (F )

F = В • U,

где В – коэффициент трения, а U – скорость оседания.

В начале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторый момент достигается равенство – F , при котором частицы начинают двигаться с постоянной скоростью. Время, которое для этого требуется, пренебрежимо мало. Так, для частиц кварца радиусом 50 мкм это время составляет 3,4 • 10 ³ с, а для частиц радиусом 1 мкм – 1,7 • 10 ⁶ с.

Исходя из приведенных выше уравнений

В соответствии с законом Стокса, В = , и учитывая, что , получим .

Таким образом, скорость седиментации прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы. Следовательно, частицы разных размеров оседают с разными скоростями: чем больше частица, тем больше скорость ее оседания.

Если экспериментально определить скорость оседания, можно легко рассчитать радиус частицы:

r= .

Так как величины