Гидрофобные (коагуляционные) структуры

Структура промывочных жидкостей определяет все ее основные свойства (СНС, вязкость, водоотдачу и т.д.), поэтому начнем с изучения структуры.

„Структура, (от латинского Structura - строение, расположение, порядок) это совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях” [45].

В коллоидной химии понятию структуры придаётся более широкий смысл. По классификации П.А. Ребиндера для дисперсных систем в зависимости от вида взаимодействия частиц выделяют два типа структур: кристаллизационный (конденсационный) и коагуляционный (тиксотропный). Первый тип структур соответствует вышеописанному определению, т.е. представляет собой совокупность устойчивых связей твёрдых частиц с образованием жёсткого каркаса. Второй тип структур представляет собой совокупность неустойчивых связей твёрдых частиц, не обеспечивающих целостности каркаса при различных внешних и внутренних изменениях (например, при течениях). Это временные структуры, существующие только в покое. За критерий прочности таких структур принимают статическое напряжение сдвигу.

Таким образом, в настоящее время в коллоидной химии под структурой дисперсных систем понимают совокупность межмолекулярных связей твёрдых частиц (как устойчивых, так и не устойчивых).

Далее будет показано, что прочность связей в дисперсных системах определяется не только межмолекулярным взаимодействием твёрдой фазы, но и межмолекулярным взаимодействием молекул воды между собой и межмолекулярным взаимодействием молекул воды с молекулами (частицами) твердой фазы и других компонентов промывочной жидкости.

В соответствии с типом твёрдой фазы дисперсной системы (гидрофильной и гидрофобной) структуры промывочных жидкостей разделим на гидрофобные и гидрофильные.

Гидрофобные структуры (гели) возникают в процессе коагуляции за счёт сцепления частиц вандерваальсовыми силами через весьма тонкие прослойки воды или при полном их отсутствии. Коагуляции способствует неоднородность поверхности частиц и наличие гидрофобных участков, на которых и возникают контакты частиц. В результате межмолекулярного и электростатического взаимодействия частиц образуются временные пространственные каркасы. Получают такие структуры путём частичной дегидратации поверхности частиц электролитами невысокой концентрации. При высоких концентрациях электролита дегидратация происходит по всей поверхности частиц и в результате полной коагуляции происходит агрегатирование частиц и образование осадка.

Впервые теория коагуляции дисперсных систем была разработана академиками Б.В. Дерягиным и Л.Д. Ландау. Несколько позже теоретическая разработка, почти аналогичная, была осуществлена Г. Фервеем и Т.Г. Овербеком. Поэтому теория носит имя четырёх учёных, сокращённо теория ДЛФО.

В соответствии с этой теорией процесс коагуляции есть результат одновременного действия ван-дер-ваальсовых сил притяжения и расклинивающего давления за счёт электростатических сил отталкивания. В зависимости от баланса этих сил между частицами твёрдой фазы возникает либо положительное расклинивающее давление (отталкивание частиц), либо отрицательное, приводящее к утончению прослойки воды между частицами и образованию контакта между частицами.

Для определения электростатических сил отталкивания была использована теория двойного электрического слоя.

По этой теории на границе твёрдой фазы с жидкой или газообразной фазой образуется двойной электрический слой (ДЭС). В коллоидной химии рассматривается три механизма образования ДЭС. Согласно первому механизму образование ДЭС происходит за счёт перехода ионов из твердого тела в раствор. В результате перехода, положительно заряженных ионов из твёрдой фазы в жидкую (газообразную) поверхность твёрдой фазы заряжается отрицательно, а положительно заряженные ионы адсорбируются на этой поверхности под действием электростатических сил, например для глин:

ºSiOH à º SiO^- + H⁺

Согласно второму механизму образования ДЭС происходит благодаря избирательной адсорбции ионов из раствора на поверхности твёрдого тела. Например, в контакте металла с раствором поваренной соли на поверхности металла будут адсорбироваться ионы Cl^- Поверхность металла становится отрицательно заряженной. Под воздействием электростатических сил в контакте с этим слоем появляется второй положительно заряженный электрический слой ионов Na⁺.

Третий механизм образования ДЭС наблюдается, если межфазная поверхность образована веществами, не способными обмениваться зарядами. В этом случае ДЭС может образоваться благодаря ориентированию полярных молекул сопряжённых фаз: SiOH.

Согласно современной теории Штерна второй слой ДЭС состоит из двух частей плотного (адсорбированного) слоя толщиной d и диффузного слоя толщиной l. В области адсорбированного слоя поверхностный потенциал, в соответствии с теорией плоского конденсатора, определяется по формуле

, (1.1)

где q_s - поверхностный заряд первого слоя ДЭС; d - толщина второго адсорбированного слоя ДЭС; e₀- электрическая постоянная; e - диэлектрическая проницаемость.

В области диффузионного слоя поверхностный потенциал

, (1.2)

где х - расстояние от адсорбированного слоя ДЭС, а суммарный заряд диффузионного слоя, равный заряду поверхности адсорбированного слоя

(1.3)

где ρ - объёмная, плотность заряда диффузионного слоя; F - число Фарадея;

z-заряд ионов; С - концентрация ионов.

Поиск по сайту: