1.2.5. Классификация по фазовой различимости

Эта классификация применима только для высокодисперсных систем. По фазовой различимости дисперсные системы могут быть разделены на два основных класса: суспензоиды и молекулярные коллоиды.

Суспензоиды – высокодисперсные гетерогенные системы (лиофильные или лиофобные), частицы которых представляют собой агрегаты атомов или молекул, отделенные четко различимой физической границей раздела фаз.

Молекулярные коллоиды – гомогенные однофазные системы, устойчивые и обратимые, образующиеся самопроизвольно, с отдельными сольватированными макромолекулами в качестве кинетических единиц (растворы высокомолекулярных соединений).

1.2.6. Классификация по топографическому признаку (по форме частиц)

Форма дисперсных частиц очень разнообразна. На многие свойства дисперсных частиц и образуемых ими дисперсных систем влияет соотношение между их размерами: длиной (l), шириной (h), и толщиной (d). По этому признаку частицы классифицируют на три группы:

Корпускулярные (объемные, трехмерные) – все три размера (l, h, d) примерно одинаковы.

Ламинарные (поверхностные, двумерные) – толщина (d) отвечает дисперсному интервалу, а длина и ширина имеют макроскопические значения – пленки.

Фибриллярные (линейные, одномерные) – интервалу дисперсных размеров отвечает поперечный размер – тонкие нити, волокна.

1.3. Методы получения дисперсных систем

Так как дисперсные системы широко используются в различных областях промышленности, следовательно, такие системы необходимо получать с необходимым набором физических и химических свойств (состав, агрегатное состояние, размер, форма, структура, поверхностные свойства).

При получении дисперсных систем решают две важные задачи:

1. Получение дисперсных частиц нужного размера и формы.

2. Стабилизация дисперсных систем, т.е. сохранение размеров дисперсных частиц в течение достаточно длительного времени (особенно актуальна для наночастиц).

Методы получения дисперсных систем делятся на три большие группы: диспергационные, конденсационные и методы пептизации.

1.3.1. Диспергационные методы

Методы заключаются в измельчении крупных (макроскопических) образцов данного вещества до частиц дисперсных размеров. При диспергировании химический состав и агрегатное состояние вещества обычно не меняются, меняется размер частиц и их форма. Диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества.

Диспергационные методы используют в основном для получения грубодисперсных частиц – от 1 мкм и выше. Например, производство цемента (1 млрд тонн в год), измельчение руд полезных ископаемых, получение пищевых продуктов и лекарств и т.д.

Работа, необходимая для диспергирования твердого тела, затрачивается на работу деформирования тела (W_деф) и работу образования новой поверхности (W_п):

. (1.3)

Работа деформирования пропорциональна объему тела: W_деф = kV, где k – коэффициент пропорциональности, равный работе объемного деформирования единицы объема твердого тела; V – объем тела.

Работа образования новой поверхности при диспергировании пропорциональна приращению поверхности: , где– энергия образования единицы площади поверхности или поверхностное натяжение;– приращение поверхности или площадь образовавшейся поверхности.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

. (1.4)

При дроблении материалы разрушаются по местам прочностных дефектов (трещин). Поэтому, при измельчении прочность частиц возрастает, что используется для получения более прочных материалов. В связи с этим можно привести высказывание П.А. Ребиндера: «Путь к прочности материала лежит через его разрушение».

Для диспергирования твердых тел используют механические (дробление, истирание и т.п.), электрические (распыление в электрическом поле) методы, взрывы. В лабораторных условиях диспергирование проводят в шаровых и вибрационных мельницах.

Рис. 1.3. Механизм уменьшения твердости

Для облегчения диспергирования твердых тел используют понизители твердости (растворы электролитов, поверхностно-активные вещества) – вещества, повышающие эффективность диспергирования за счет образования микротрещин (эффект П.А. Ребиндера).

Понизители твердости обычно составляют 0,1 % от общей массы измельчаемых веществ и при этом снижают энергозатраты на получение дисперсных систем наполовину.

Механизм уменьшения твердости заключается в том, что добавляемое вещество (понизитель твердости) адсорбируется в местах дефектов кристаллической решетки (в микротрещинах) твердого тела, что приводит к экранированию сил сцепления, действующими между противоположными поверхностями щели (при адсорбции электролитов возникают силы электростатического отталкивания между одноименно заряженными ионами). С другой стороны поверхностно-активные вещества понижают поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – газ, что облегчает деформирование твердого тела.

Добавки помогают не только разрушить материал, но и стабилизируют систему в дисперсном состоянии, адсорбируются на поверхности частиц и мешают их обратному слипанию.

Для диспергирования жидкостей и получения мелких капель в аэрозолях и эмульсиях используют механические способы: встряхивание, быстрое перемешивание с кавитационными взрывами, воздействие ультразвука, распыление при течении жидкости через тонкие отверстия при быстром движении струи. Процессы диспергирования жидкостей имеют большое значение в энергетике – обеспечение эффективного сжигания жидкого топлива, в медицине и т.д.

При диспергировании газов используют: барботирование – прохождение газовой струи через жидкость с большой скоростью; одновременное смешивание потоков жидкости и газа в специальных устройствах.

Значение диспергационных методов. Диспергационные методы занимают ведущее место в мировом производстве различных веществ. Вещество в дисперсном состоянии обеспечивает удобство расфасовки, транспортировки, дозировки, способствуют увеличению скорости химических реакций и процессов растворения, сорбции, экстракции, дают возможность получать однородные материалы при составлении смесей и материалы с более высокими прочностными свойствами, материалы с большой удельной поверхностью (катализаторы, сорбенты). Методы используются при дроблении руды, угля, цемента, минеральных удобрений, получении пищевых продуктов и т.д.