Коллоидная химия. Структурно - механические свойства дисперсных систем (лекция 14)

1. Коллоидная химия ИТХТ им. М.В. Ломоносова кафедра НС и ПЯ группы ХХБО-01-03-2022, ХТБО-01-2022

ЛЕКЦИЯ 14
Шубенкова Екатерина Гаррьевна

2. Коллоидная химия

ЛЕКЦИЯ 14
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Шубенкова Е.Г.
2024

3. План лекции

1.
Классификация дисперсных систем по структурномеханическим свойствам.
2. Идеальные модели реологии. Модели Гука, Ньютона, СенВенана-Кулона.
3. Принципы моделирования реологических свойств реальных
тел. Модель упруговязкого тела Максвелла, вывод уравнения,
являющегося его математической моделью.
4. Модель вязкопластического тела Бингама. Пластическая
вязкость.
5. Причины неподчинения дисперсных систем закону Ньютона.
Кривые течения реальных дисперсных систем. Уравнение
Оствальда-Вейля.
6. Кривая течения структурированных жидкообразных и
твердообразных дисперсных систем, зависимость их вязкости
от напряжения сдвига.
7.
Уравнение
Ребиндера
для
работы
измельчения.
Адсорбционное
понижение
прочности
(эффект
Ребиндера).
Прочность
как
поверхностное
свойство
материалов. Уравнение Гриффитса.

4. Теория устойчивости лиофобных золей

1 – область первичного минимума
(непосредственное слипание
частиц). Плотные и необратимые
осадки (Uпр>>Uот).
2 – область вторичного минимума,
притяжение частиц через
прослойку среды, область
коагуляции, осадки получаются
рыхлыми и обратимыми и могут
быть переведены в золь в
результате пептизации.
3 - область с преобладанием сил
отталкивания, система агрегативно
устойчива (потенциальный барьер
Uпр<Uот).

5.

Классификация дисперсных систем по структурно-механическим
свойствам
Конденсационно-кристаллизационные (ККС) и
коагуляционные
структуры
(КС)
(по
П.А.
Ребиндеру)
U
r
II
I
ККС
КС
Конденсационно-кристаллизационное структурообразование,
отвечающее коагуляции в первичном потенциальном
минимуме,
осуществляется
путем
непосредственного
химического взаимодействия между частицами и их срастания
с образованием жесткой объемной структуры. ККС
характерны для связнодисперсных систем (твердая ДСр)
Под коагуляционными структурами понимают структуры, которые образуются при
коагуляции, соотвествующей вторичному минимуму на потенциальной кривой
взаимодействия частиц ДФ. Взаимодействие частиц ДФ осуществляется через
прослойки ДСр, оно непрочное, часто носит ван-дер-ваальсову природу.
Для коагуляционных структур характерна способность восстанавливать структуру
после ее механического разрушения – тиксотропия (коагуляционно-тиксотропные
структуры - КТС)

6. Типы структурированных систем

Зависят от характера сил взаимодействия между
частицами дисперсной фазы
Коагуляционные
(гели)
Конденсационнокристаллизационные
-типичны для
свободнодисперсных систем с
жидкой дисперсионной средой
- обратимы, разрушаются с
образованием дисперсной
системы (Т, перемешивание,
УЗ воздействие)
типичны для систем с твердой
дисперсионной средой, т.е. для
связнодисперсных систем. Если
частицы аморфны,
образующиеся структуры
принято называть
конденсационными, а если
частицы кристаллические,
структуры называются
кристаллизационными
- необратимы.

7. Гели

Гели – структурированные дисперсные системы,
потерявшие текучесть (ДФ и ДС не разделяются).
Хрупкие гели –
структурированные
двухфазные системы.
Эластичные гели
(студни) –
структурированные
однофазные системы
(растворы ВМС).

8. Схема структуры геля

9. Тиксотропия

Способность системы к произвольному
восстановлению структуры во времени после ее
механического
разрушения
называют
тиксотропией (thixis – прикосновение, trope –
поворот, изменение).
Иначе
тиксотропию
можно
охарактеризовать как обратимый переход
золь↔гель
или
студень - раствор
Роль в природе и технике: присутствие в
грунте небольших количеств
тиксотропных глин может служить
причиной оползней и плывунов,
затвердевание суспензий при возможной
остановке насосов, на этом явлении
основана также техника применения
масляных красок, замазок, пластилина и
т.п..

10. Реопексия

Явление
возрастания
прочности
структуры со временем при механическом
воздействии называется реопексией. То есть
реопексия
противоположна
тиксотропии
коагуляционных структур.

11. Старение гелей. Синерезис

Явление самопроизвольного уменьшения размеров геля
или студней за счет выделения жидкой среды, содержавшейся
в
коагуляционной
структуре,
называется
синерезисом
(synáiresis – сжатие, уменьшение). В результате этого
гелеобразная система может превратиться в сплошное
кристаллическое тело. Структурированная система при
синерезисе переходит в термодинамически более устойчивое
состояние.
Явлению синерезиса благоприятствуют все
факторы, которые способствуют коагуляции: введение
электролита-коагулянта, повышение температуры, введение в
систему десольватирующих агентов и т.д.

12. Набухание

Системы с коагуляционной структурой, из
которых высушиванием удалена дисперсионная среда,
способны в той или иной степени поглощать эту среду
при контакте с ней. Этот
процесс
называется
набуханием. Очевидно, что набухание является
процессом, обратным синерезису.
Набухание – это самопроизвольный процесс
поглощения
высокомолекулярным
соединением
больших количеств низкомолекулярной жидкости, что
сопровождается значительным увеличением объема и
массы полимера.

13. Конденсационно-кристаллизационные структуры

Не проявляют свойства тиксотропии, синерезиса,
набухания, и придают телам такие свойства как
прочность, хрупкость и упругость. Их прочность обычно
значительно выше прочности коагуляционных структур.
Для них характерно необратимое разрушение при
механическом
воздействии,
без
возможности
восстановления структуры.
Типы структуры цемента

14. Старение коллоидных систем

15.

16.

Структурно-механические свойства
дисперсных систем
Свойства дисперсных систем зависят от концентрации
частиц ДФ.
При высокой концентрации последних взаимодействие
между ними усиливается и образуются структуры, дающие ДС
прочность.
При
этом
ДС
приобретает
способность
сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки;
при
определенных
условиях
образовавшиеся
структурированные системы могут течь.
Закономерности структурообразования, совокупность механических и
реологических свойств (вязкость, упругость, пластическая прочность)
составляют структурно-механические свойства дисперсных систем
Эти свойства изучает ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА – пограничная
область коллоидной науки, возникшая на стыке физической химии, физики
твердого тела и механики материалов (основатель П.А. Ребиндер).
Различают структурно-механические свойства упруговязкопластических
тел (асфальт, битум, тесто) и сыпучих материалов (цемент, крупа,
мука)

17.

Основные понятия реологии. Идеальные
реологические элементы
Реология – наука о деформациях и течении материальных
систем. Деформация – относительное смещение точек системы,
при котором нарушается ее сплошность (упругая и остаточная
деформация)
1-я аксиома реологии – при всестороннем равномерном (изотропном)
сжатии все материальные системы ведут себя как идеально упругие тела –
одинаково
2-я аксиома реологии – любая материальная система обладает всеми
реологическими свойствами (упругость, вязкость, пластичность, прочность)
Упругость
–
способность
тела
восстанавливать
первоначальные размеры после снятия нагрузки.
Вязкость – способность (жидкости) сопротивляться движению
(течению).
Пластичность – свойство тел развивать необратимые истинно
остаточные деформации.
Прочность – способность тела сопротивляться приложенной
нагрузке.
В реологии механические свойства материалов представляют в виде
реологических моделей, в основу которых положены идеальные законы
реологии (реализуемые в идеальных телах: ИУТ, ИВТ, ИПТ)

18.

Структурно-механические свойства
дисперсных систем.
Идеальные реологические системы
- деформация (в долях)
P – напряжение сдвига, Па
E – модуль упругости (Юнга), Па

19. Идеально упругое тело

20. Идеально вязкое тело

21.

Уравнение Пуазейля

22.

Уравнение Эйнштейна

23.

Уравнение Эйнштейна

24.

Идеально пластическое тело
К элементу сухого трения (идеальному пластическому
телу) не может быть приложено напряжение, превышающее
предел текучести. Величина T отражает прочность структуры
тела.

25.

Модель Максвелла

26.

Модель Максвелла

27.

Модель Максвелла
После снятия
пластическая
остается
P = const
напряжения
деформация
В
случае
мгновенного
растяжения с сохранением в
P
дальнейшем
постоянной
величины деформации сила
P0
вязкого
сопротивления
тормозит сжатие пружины и
напряжение
постепенно
спадает с течением времени P/e
(релаксирует).
= const
- характеристическое время или время релаксации

28.

Модель Максвелла
Нет принципиального различия в реологических
свойствах реальных жидкостей и твердых тел. Обе системы
являются конденсированными фазами, характеризующимися
высокой плотностью и малой сжимаемостью. Согласно
Максвеллу: механические свойства тел реализуются в ходе
непрерывного перехода от идеальной жидкости (ИЖ) к
идеальному твердому телу (ИТТ).
Явление релаксации, как и процесс диффузии, связано
с движением молекул или частиц ДФ твердого тела
Для УВЖ характерна необратимость деформации. Как
видно (с позиций реологии), различие между жидкостями и
твердыми телами не является резким и носит кинетический
(релаксационный) характер.
< - жидкость
> - твердое тело
Если время воздействия на типичную жидкость
значительно меньше времени релаксации, то течение
произойти не успевает, и жидкость ведет себя как упругое
твердое тело.
Струя воды ( = 10-3 Па·с, Е = 1010 Па, = 10-13 с) раскалывается пулей как
твердое тело

29. Модель Бингама

30. Пластическая вязкость

31.

Классификация материалов по
реологическому поведению

32.

33.

По реологическим свойствам реальные тела делят на жидкообразные
(предел текучести (РТ) равен нулю) и твердообразные (PT > 0)
n>1
n=1
n<1
P
Жидкообразные тела
Ньютоновские
жидкости ( ≠ f(P))
Неньютоновские
жидкости
Нестационарные
( = f(P), = f(t))
Стационарные
Дилатантные
Псевдопластические
Кривые течения
ур. Оствальда-Вейля (справедливо для
стационарных жидкообразных тел)

34.

n = 1, k = : ньютоновская жидкость
n < 1 для
псевдопластических
жидкостей
характерно
снижение
ньютоновской вязкости с ростом скорости
деформации
сдвига
n > 1 для дилатантных жидкостей ньютоновская вязкость
растет
с
увеличением
скорости
деформации
сдвига
(пластические массы, пластизоли из ПВХ).
Согласно Рейнольдсу (1885): дилатансия – возрастание вязкости дисперсных
систем (концентрированных) при увеличении приложенной нагрузки
n>1
n=1
n<1
P
Кривые течения
Твердообразные тела
бингамовские
небингамовские
n=1
бингамовское тело (пасты из глин,
консистентные смазки, зубные пасты, масляные
краски)
n<1
псевдопластическое твердообразное тело
n>1
пластическое дилатантное тело