А - схема строения лиосорбной пленки

Воды; б - расположение диполей воды вокруг электрически заряженной частицы; в - эпюра изменений величины молекулярных сил в зависимости от расстояния до поверхности минеральной частицы.

По исследованиям Н.А. Цытовича, толщина слоя может составлять более сотни нанометров (рис.1.4). По словам Б.В. Дерягина, слой прочносвязанной воды обладает высокой плотностью (до - 1500 кг/м³), высокой вязкостью, низкой температурой замерзания воды (около -78°С).

С удалением от поверхности частиц силы притяжения убывают обратно пропорционально расстоянию в седьмой степени:

, (2.2)

т.е. в адсорбированном слое действуют преимущественно силы межмолекулярного взаимодействия, что соответствует формуле (2.1)

Далее за слоем прочносвязанной воды располагается слой рыхлосвязанной (лиосорбной) воды. Этот слой достигает величины, равной 0,5 мкм (500 нм).

Прочность связей молекул рыхлосвязанной воды меньше и её величина с удалением от частицы убывает значительно медленнее, чем в слое адсорбированной воды. Положение внешней границы, рыхлосвязанной воды зависит, от природы глинистых частиц.

Таким образом, на небольшом удалении от глинистых частиц прочность структуры воды измеряется значительной величиной, что и определяет высокую прочность структуры промывочной жидкости. Толщину плёнки воды в глинистом растворе можно приблизительно рассчитать по формуле

, (2.3)

где V - объём раствора; S - удельная поверхность глинистых частиц.

Как показано в таблице 2.1, удельная поверхность различных глинистых минералов составляет 500-1000 м²/г. Даже при содержании 1% высококоллоидальной глины (10кг/м³= 10000 ^г/_м³) в растворе толщина плёнки

воды составит:

При такой толщине плёнки воды уже возможно взаимодействие межмолекулярных сил воды с твёрдыми частицами. При увеличении концентрации глины толщина плёнки еще уменьшится, а прочность межмолекулярных связей возрастет.

Учёными [36] так же установлено, что в глинах наблюдается медленное передвижение плёночной влаги от частиц с большой толщиной плёнок к частицам с малой толщиной до тех пор, пока диполи воды не будут испытывать одинаковое притяжение около всех частиц породы.

При наличии в стационарной промывочной жидкости изометричных дисперсных частиц с равными расстояниями между ними образуются так называемые периодические коллоидные структуры. Если концентрация твёрдой фазы достаточно высока и между всеми частицами расстояния оказываются меньше двух толщин сольватных оболочек (плёночной воды) промывочная жидкость переходит в гидрогель.

В растворах полимеров прочность структуры промывочной жидкости повышается благодаря переплетению макромолекул между собой и образованию пространственных сеток. Причём в результате взаимной ориентации макромолекул между полярными и гидрофобными (углеводородными) звеньями возникают дополнительные достаточно прочные водородные связи. Вокруг гидрофильных (полярных) звеньев образуются также, как и в глинистых растворах, сольватные оболочки, которые заполняют ячейки пространственного каркаса прочно- и рыхлосвязанной водой. При значительной концентрации полимера в стационарной жидкости возникают полимерные гели-студни.

В зависимости от гидрофильности полимера гель может образовываться при различной концентрации. Чем выше гидрофильность полимера, тем при меньшей концентрации образуется гель.

Таким образом, прочность структуры структурированных, жидкостей определяется силой взаимодействия частиц твёрдой фазы между собой и молекулами воды, прочностью структуры самой воды в сольватном слое и зависит от концентрации твёрдой фазы.

В зависимости от концентрации твёрдой фазы растворы принято делить на разбавленные и концентрированные.

Для разбавленных растворов характерно наличие значительных расстояний между частицами, при которых прочность структуры воды обусловлена преимущественно дальнедействующими ион-дипольными связями молекул воды с поверхностью твёрдой фазы.

Для концентрированных растворов расстояния между частицами дисперсной фазы малы, связь между частицами осуществляется преимущественно за счёт межмолекулярного взаимодействия молекул воды с функциональными группами частиц твёрдой фазы.

Поиск по сайту: