Типы структур

Дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы и дисперсионной среды можно разделить на свободнодисперсные u связнодисперсные. В свободнодисперсных (неструктурированных) системах частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться независимо друг от друга. В связнодисперсных системах частицы между собой связаны и образуют структурную сетку. Они не могут перемещаться свободно и совершают только колебательные движения около положения равновесия. Структуры образуются под действием сил Ван-дер-Ваальса и ближнедействующих химических сил в концентрированных суспензиях, эмульсиях, пастах. Переход свободнодисперсной системы в связнодисперсную является результатом потери системой агрегативной устойчивости.

Среди связнодисперсных систем по Ребиндеру, в зависимости от природы действующих сил, различают два основных типа структур: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные.

Коагуляционный тип структуры образуется за счет сцепления частиц ван-дер-ваальсовыми силами. Системы с такой структурой обладают вязкостью и пластичностью, а при действии нагрузки способны к обратимому разрушению, то есть могут восстанавливаться во времени. В рамках теории ДЛФО такие структуры отвечают безбарьерной коагуляции (на дальних расстояниях) и поэтому обратимы. В местах контактов между частицами в структуре имеется тонкая прослойка дисперсионной среды. Наличие этой прослойки придает эластичность структуре, однако снижает ее прочность. Под действием значительной механической нагрузки такую структуру можно разрушить.

Конденсационно-кристаллизацuонный тип структур, образуется за счет не только ван-дер-ваальсовских сил, но и за счет ближнедействующих валентных сил - химических связей. Поэтому связи в местах контакта получаются более прочными, а под действием механической нагрузки они необратимо разрушаются. Для таких систем характерны упругие, но хрупкие свойства. По теории ДЛФО образования этих структур происходит с преодолением потенциального барьера отталкивания частиц U (на ближних расстояниях) и носит необратимый характер. Примерами дисперсных систем такого типа являются: цемент, гипс, глина, известь, стройматериалы.

Переходной формой от коагуляционной к конденсационно-кристаллизационной структуре являются точечные контакты, для которых характерны контакты площадью в один или несколько атомов. Во втором типе структур осуществляются кроме точечных и фазовые контакты, которые образуются на значительно большей площади, соизмеримой с размерами частиц.

Самопроизвольный переход от коагуляционного типа структур к конденсационно-кристаллизационному носит специфическое название синерезис - старение системы. В первый момент времени структурированная система образуется за счет малого количества контактов между частицами. Со временем, за счет теплового движения и стремления системы к уменьшению энергии, количество контактов возрастает. Часть дисперсионной среды, содержащаяся в петлях пространственной сетки, выделяется наружу, сетка стягивается, и происходит упорядочение структуры, а объем системы уменьшается. Явление синерезиса часто наблюдается в технологических процессах. Например, ухудшение качества кондитерских изделий объясняется синерезисом. Синерезис в живых клетках - это, например, старение человека.

Коагуляционные структуры обладают способностью к тиксотропии - самопроизвольному восстановлению структуры во времени после механического воздействия (в изотермичексих условиях), т. е. без нагревания, так как возможно и термическое разрушение структуры - плавление. При тиксотропии восстанавливаются связи, разрушенные вследствие механического воздействия.

Реология - это учение о процессах деформации и течения различных тел. Структурированные системы способны к деформации, простейшие виды которой растяжение и сдвиг. В последнем случае усилие прилагается к верхней грани образца, а нижняя грань его закреплена (рис. 9.4).

Деформация определяется безразмерными величинами - при растяжении, где х - удлинение образца, а при сдвиге ; х - перемещение, а х - первоначальный размер образца.

Деформация зависит от приложенного к телу напряжения Р, равного внешней силе F, приложенной к единице поверхности тела В. Зависимость Р от e приводится на рис. 9.5.

На участке I наблюдается прямо пропорциональная зависимость между Р и e, что характерно для упругой деформации. Для упругой деформации справедлив закон Гука:

, (9.1)

где Е - модуль упругости Юнга (константа, характеризующая упругость материала).

Особенностью упругой деформации является то, что после снятия нагрузки тело восстанавливает свои первоначальные размеры (Р = 0; e = о).

Возможность дисперсной системы противодействовать внешнему усилию ограничена. При значении Р > Р_к (участок II) может произойти разрушение тела или появиться остаточная деформация (Р = 0; e ¹ 0). Величина Р_к - предел упругости. На участке III возможен переход упругой деформации в пластическую и течение тел. Величина Р_Т - это предел текучести. Деформация тел непосредственно связана с их структурой.