авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
-- [ Страница 1 ] --

А.Ю. АНДРЮШКИН

ФОРМИРОВАНИЕ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

СВЕРХЗВУКОВЫМ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ

РАСПЫЛЕНИЕМ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

А.Ю. АНДРЮШКИН

ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ

СИСТЕМ СВЕРХЗВУКОВЫМ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ

РАСПЫЛЕНИЕМ

Санкт-Петербург

2012

Научное издание

УДК 533.6.011.5:532.696.22 А66 Андрюшкин, А.Ю.

А66 Формирование дисперсных систем сверхзвуко вым газодинамическим распылением /А.Ю. Ан дрюшкин;

Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2012. – 400 с.

ISBN 978-5-85546-673-7 Приведены основные сведения о дисперсных систе мах и методах их формирования. Изложена теория сверх звукового газодинамического распыления, на основе ко торой предложена газодинамическая операционная си стема, предназначенная для формирования дисперсных систем. Приведены результаты экспериментального ис следования узлов распыления с различной компоновкой.

Предложены новые технологии для формирования мате риалов и покрытий с заранее заданными свойствами.

Для инженеров и научных работников, занимающих ся технологиями диспергирования жидкостей в сверхзву УДК 533.6.011.5:532.696. Р е ц е н з е н т ы: д-р техн. наук, проф. В.В. Езерский;

д-р техн. наук, проф. А.А. Таранцев Публикуется в авторской редакции Андрюшкин Александр Юрьевич Формирование дисперсных систем сверхзвуковым газодинамическим распылением Подписано в печать 21.03. 2012. Формат 6084/16. Бумага документная.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. 25. Тираж 300 экз. Заказ № 37.

Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. БГТУ, ISBN 978-5-85546-673- А.Ю. Андрюшкин, ПРЕДИСЛОВИЕ Совершенствование существующих методов формирования смесей, создание принципиально новых технологий, новых материалов и покры тий является перспективным направлением в науке и технике. В послед ние годы опубликован ряд статей, монографий, патентов по диспергиро ванию жидкостей в сверхзвуковом потоке газа. Предлагаемая вниманию читателей монография ставит своей целью дополнить имеющиеся иссле дования в части использования сверхзвуковых газовых струй в процессах диспергирования жидкостей и формирования из распыленных компонен тов технологических смесей.

В основу монографии легли исследования автора, выполненные за последние годы. В монографии проведен анализ дисперсных систем и методов их формирования. В изложенной теории сверхзвукового газоди намического распыления проведен анализ сверхзвуковых струй газа, рас смотрено их взаимодействие с потоком жидкости, показаны способы управления параметрами факела распыления. На базе теории предложена газодинамическая операционная система. Представлены результаты ис следования узлов распыления с различной компоновкой. Проведен ана лиз влияния свойств жидкости и газа, а также параметров узла распыле ния на распределение капель в факеле распыления и их дисперсность. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предло жены новые технологии для формирования материалов и покрытий с за ранее заданными свойствами.

Автор отдает себе отчет в том, что монография имеет ряд пробелов, однако, надеется, что она окажется полезной исследователям, инженерам и будет способствовать дальнейшему развитию газодинамических техно логий.

Монография состоит из предисловия, введения, списка принятых обозначений и сокращений, шести разделов, заключения, библиографи ческого списка литературы из 302 наименований, 3 приложений, содер жит 21 таблицу, 240 рисунков.

ВВЕДЕНИЕ В различных отраслях промышленности (химической, пищевой, ме таллургической) применяемые технологии связаны с формированием смесей. В процессе переработки компоненты смеси образуют различные дисперсные системы. Воздействуя на дисперсные системы, им придают необходимые свойства. На основе этих смесей производят конструкци онные и функциональные материалы, также смеси используют для созда ния покрытий.

Эффективность технологического процесса формирования смеси, его производственные и экономические показатели, качество изготавли ваемой из этой смеси продукции в большой степени зависят от правиль ной организации процесса диспергирования компонентов смеси.

Под диспергированием понимают тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются гетерогенные смеси, у которых одна из фаз сильно раздроблена и представлена объектами, имеющими очень малые размеры в трех, двух или одном измерениях.

Характеристиками дисперсной системы служат гетерогенность, указы вающая на наличие межфазной поверхности, и дисперсность, определяе мая размером и геометрией частиц. Многообразие дисперсных систем определяет множество методов их формирования: измельчение твердых материалов (формирование сыпучих материалов);

распыление жидкостей и сыпучих материалов газом (формирование аэрозолей);

перемешивание жидкостей, сыпучих материалов, газов (формирование суспензий, эмуль сий, паст, пульп, пен, пористых тел).

Формирование смесей распылением открывает широкие технологи ческие возможности для получения материалов и покрытий с заранее заданными свойствами. Разработка методов получения таких материалов и покрытий в настоящее время актуальна, так как изготовленные из них изделия имеют высокое конструктивное совершенство.

Смесеобразование проходит в два этапа: формирование дисперсной системы с газовой дисперсной средой (распыление) и формирование си стемы с жидкой дисперсной средой (перемешивание). Смесеобразование включает в себя дробление струй жидких компонентов смеси на конгло мерат капель;

распад капель на более мелкие под действием аэродинами ческих сил газа;

перемешивание частиц компонентов смеси в факеле рас пыления;

взаимодействие частиц компонентов между собой на поверхно сти смеси. Эти процессы отличаются большой сложностью и не всегда поддаются доступным аналитическим и экспериментальным методам изучения.

Исследованиями процессов распыления и перемешивания жидкостей занимались многие ученые. За последние годы разработка этих вопросов значительно продвинулась вперед. На основании теоретических и экспе риментальных исследований установлены некоторые закономерности, предложены механизмы и схемы, описывающие процессы распыления и перемешивания. Полученные результаты представляют как научный, так и практический интерес. Требуется систематизация результатов, появля ется необходимость в получении расчетных зависимостей, пригодных для проектирования технологического оборудования.

Формирование многокомпонентной смеси газодинамическим распы лением имеет ряд технологических трудностей. Можно выделить несколь ко проблем, препятствующих практическому внедрению этого метода.

Проблема 1. Распыление вязких компонентов смеси до частиц необ ходимой дисперсности. В настоящее время распылению подвергают, как правило, низковязкие жидкости, так как повышение вязкости приводит к резкому увеличению размеров капель, поэтому распыление вязких жидко стей малоэффективно и их диспергирование проводят другими методами.

Проблема 2. Заранее заданное распределение компонентов смеси по ее объему. Свойства материалов и покрытий обусловлены их составом и структурой. Изменяя в процессе напыления распределение компонентов по объему смеси, можно варьировать состав и структуру материала, по лученного на ее основе. В настоящее время чаще всего формируют смеси с равномерным распределением компонентов по ее объему.

Проблема 3. Управление параметрами факела распыления. Воздей ствие на факел распыления различными способами (геометрическое, рас ходное, акустическое, тепловое, комбинированное воздействие) для из менения в нужном направлении его параметров. В настоящее время более глубоко разработаны геометрическое и расходное воздействие на факел распыления.

Распыление низковязких жидкостей чаще всего осуществляют до звуковым газовым потоком. В ряде исследований для распыления жидко сти применялся сверхзвуковой поток. Высокая дисперсность полученных капель говорит о перспективности сверхзвукового распыления при фор мировании смесей. Таким образом, для формирования многокомпонент ных смесей можно предложить сверхзвуковой газодинамический метод распыления (СГМР), который позволяет решить изложенные выше про блемы.

В монографии изложена теория сверхзвукового газодинамического распыления. Проведен анализ сверхзвуковых струй газа, рассмотрено их взаимодействие с потоком жидкости, изложены основные положения газодинамики многофазных потоков. Предложена газодинамическая опе рационная система (ГОС), в которой процесс смесеобразования протека ет как одна технологическая операция, включающая в себя распад струй жидкости, дробление капель, их перемешивание в факеле распыления, напыление частиц на поверхность смеси, взаимодействие между части цами на поверхности смеси. Приведены результаты экспериментального исследования распределения капель в факеле распыления и их дисперс ности при распылении из узлов с различной компоновкой. Предложены новые технологии для формирования материалов и покрытий с заранее заданными свойствами. Особенностью монографии является то, что по лученные автором теоретические и экспериментальные результаты до статочно точно совпадают с данными других исследователей. Это срав нение говорит о правильности выдвинутых в монографии гипотез и предположений. Предложенные автором расчетные зависимости вклю чают в себя основные влияющие на процесс распыления параметры и пригодны для широкого использования в практике.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ СОКРАЩЕНИЯ ГОС – газодинамическая операционная система;

ГНПМ – газонаполненные пластмассы;

ДАЭ – дискретные армирующие элементы;

СГР – сверхзвуковое газодинамическое распыление;

СГМР – сверхзвуковой газодинамический метод распыления;

ПАВ – поверхностно-активные вещества;

ПВЭ – пористый вращающийся элемент.

ОБОЗНАЧЕНИЯ Ацср – геометрическая характеристика центробежно-струйного рас пылителя;

а – ускорение объекта, м/с2;

ас – ускорение струи жидкости, м/с2;

апк – ускорение первичной капли, м/с2;

ат – коэффициент температуропроводности фазы, м2/с;

ащ – высота щели, м;

bщ – ширина щели, м;

Ск – коэффициент аэродинамического сопротивления капли;

сp – удельная теплоемкость фазы, Дж/(кг·К);

Dд – коэффициент диффузии, м2/с;

Dп – коэффициент диффузии пара в газе м2/с;

Dдс – дисперсность, 1/м;

Dвд – диаметр вращающегося диска, м;

Dотр – диаметр отражателя, м;

d – диаметр объекта, м;

dкж – диаметр канала подачи жидкости, м;

dдг – диаметр канала дополнительного насыщения жидкости газом, м;

dкг – диаметр канала подачи газа, м;

dа – диаметр выходного сечения сопла, м;

dсг – диаметр окружности, на которой расположены центры сопл по дачи газа, м;

dкр – диаметр критического сечения сопла, м;

dч – размер частицы, м;

dк – диаметр капли, м;

dк.ар – среднеарифметический диаметр капель, м;

dк.масс – среднемассовый диаметр капель, м;

dк.s – средний диаметр капель, являющийся отношением объема кап ли к ее поверхности, м;

dк.V – объемный средний диаметр капель, м;

dк.F – поверхностный средний диаметр капель, м;

dк.мед – медианный диаметр капель, м;

dмд – диаметр «маховского» диска или диска Маха, м;

dвс – максимальный диаметр «висячего» скачка, м;

dс – диаметр струи, м;

dб – диаметр первой «бочки» струи, м;

dтр – диаметр трубопровода, м;

dдф – диаметр диафрагмы, м;

dпк – средний диаметр первичной капли, м;

dпу – внутренний диаметр аппарата, м;

dпэ – диаметр зерен (смачивание) или пор (несмачивание) ПВЭ, м;

dщ – диаметр щелевого сопла подачи газа;

dор – диаметр зоны орошения, м;

dнар – наружный диаметр зоны напыления, м;

dвн – внутренний диаметр зоны напыления, м;

dр – диаметр расстановки распылителей, м;

dпн – диаметр пятна напыления, м;

Е – модуль упругости при растяжении, Па;

Eэп – напряженность электрического поля, В/м;

Е – энергия активации вязкого течения, Дж/кг;

ецк – расстояние (эксцентриситет) между центром расположения ка налов подачи жидкости и центром расположения сопел подачи газа, м;

еот – относительный эксцентриситет;

gор – массовая плотность орошения, кг/(м2с);

gкi – вес капель диаметра dкi, кг;

Fij – поперечное сечение i-ого канала, по которому подают j-ю ком позицию, м2;

Fкр – критическое (минимальное) сечение сопла, м2;

Fа – площадь выходного сечения сопла, м2;

Fх – площадь сопла в поперечном сечении с координатой х, м2;

Fкж – площадь поперечного сечения канала подачи жидкости, м2;

Fтр – площадь поперечного сечения трубы, м2;

Fдф – площадь диафрагмы, м2;

Fс – площадь сечения струи в канале подачи жидкости, м2;

f – частота колебаний, Гц;

fп – площадь паровой фазы, м2;

fж – площадь жидкой фазы, м2;

g – ускорение свободного падения (g=9,81), м/с2;

G – модуль сдвига, Па;

Gг – массовый расход газа, кг/с;

Gж – массовый расход жидкости, кг/с;

Gк – вес всех капель, кг;

Hс – расстояние от среза сопла до преграды, м;

Нфр – высота факела распыления, м;

hсг – выступание сопел над донным экраном соплового блока, м;

Jск – интенсивность скачка уплотнения;

Kн – коэффициент избыточного напыления;

k1…k45 – эмпирический коэффициент;

lсг – разнос сопел, м;

lмд – расстояние от среза сопла до «маховского» диска или диска Ма ха, м;

lвс – расстояние от среза сопла до максимального диаметра dвс «вися чего» скачка, м;

lс – расстояние от среза сопла до максимального диаметра струи, м;

lб – длина первой «бочки» струи, м;

lсб – длина соплового блока, м;

lтр – длина трубы, м;

lкж – длина канала подачи жидкости, м;

Lс – длина сверхзвуковой части сопла, м;

Lти – удельная теплота испарения (конденсации), Дж/кг;

m – масса, кг;

mк – масса капли, кг;

mч – суммарная масса частиц, кг;

mуд – удельная поверхность частиц по массе, м2/кг;

Nк – число всех капель, шт;

Nр – отношение давления перед соплом к давлению окружающей среды;

Nр* – критический перепад давлений;

nкж –число каналов подачи жидкости, шт;

поб – число оборотов мешалки, об/с;

nк – число капель, шт;

nкi – число капель диаметра dкi, шт;

nр – степень нерасчетности сопла;

nр* – предельная степень нерасчетности сопла;

nc – число сопел подачи газа, шт;

Р – объемная сила, действующая на единицу массы, Н;

Раэр – сила аэродинамического сопротивления, Н;

Рдав – сила, обусловленная градиентом давления в потоке, Н;

Ртяж – сила тяжести, Н;

Роб – сила, обусловленная инерцией вытесненного каплей объема га за, Н;

Ртер – сила термофреза, Н;

Рпр – сила присоединенной массы, Н;

Рвр – сила Магнуса, Н;

Рнестац – сила Бассе, Н.

р – давление, Па;

ра – давление в выходном сечении сопла (на срезе сопла), Па;

p0 – давление газа в трубопроводе подачи газа (перед соплом), Па;

pос –давление на оси составной сверхзвуковой струи, Па;

ркр – давление газа в критическом сечении сопла, Па;

pн –статическое давление окружающей среды, Па;

px – давление газа в поперечном сечении сопла с координатой х, Па;

рд – донное давление или давление в межсопловой области, Па;

pж – давление в магистрали подачи жидкости, Па;

pст – давление на стенке трубопровода, Па;

ргпк – давление потока газа (скоростной напор) на первичную каплю, Па;

ржпк – давление поверхностного натяжения первичной капли, Па;

р1ск – давление перед скачком уплотнения, Па;

р2ск – давление после скачка уплотнения, Па;

pq – избыточное давление внутри заряженной капли, Па;

Qж – объемный расход жидкости, м3/с;

Qг – объемный расход газа, м3/с;

Qдг – объемный расход газа для насыщения жидкости газом, м3/c;

Qпар – объемный расход пара, м3/c;

Qпр – объем газа, присоединенный к струе за счет эжекции, м3/с;

qпр – относительная присоединенная масса струи;

qор – объемная плотность орошения, м3/(м2с);

qк – заряд капли, Кл;

R – газовая постоянная, Дж/(кг·К);

Rпвэ – радиус ПВЭ, м;

rк – радиус капли, м;

rпк – радиус первичной капли, м;

rq – радиус заряженной капли, м;

rфр – радиус факела распыления, м;

rх – относительный радиус факела распыления;

Sч – суммарная площадь поверхности всех частиц, м2;

Sуд – удельная поверхность частиц по объему, м-1;

Sк – площадь сечения капли, м2;

Та – температура газа в выходном сечении сопла (на срезе сопла), К;

Тг – температура газа, К;

Тж– температура жидкости, К;

Тпк – температура поверхности капли, К;

Тцк – температура жидкости в центре капли, К;

Т0 - температура газа в перед соплом, К;

Ткр – температура газа в критическом сечении сопла, К;

Tст – температура на стенке трубопровода, К;

t – время, с;

tин – время индукции капли, с;

tpс – время распада струи, с;

tрк – время распада капли, с;

tрс* – характерное время распада струи, с;

tрк* – характерное время распада капли, с;

U – скорость, м/с;

Uж – скорость потока жидкости, м/с;

Uг – скорость потока газа, м/с;

Uс – скорость струи жидкости, м/с;

Uк – скорость капли, м/с;

Uпк – скорость первичной капли, м/с;

Uпс – скорость среды в пограничном слое, м/с;

Uвк – скорость вторичной капли, м/с;

Uij – скорость впрыска i-ой струи j-й композиции, м/с;

Uа – скорость истечения газа в выходном сечении сопла, м/с;

Uзв – скорость звука, м/с;

Ux – скорость потока на оси факела распыления, м/с;

Uпот – потенциал капли, В;

Uпред – предельная скорость, при которой она не разрушается, м/с;

Vж – объем жидкости, м Vк – объем капли, м3;

Vч – суммарный объем всех частиц, м3;

Wак – акустическая мощность, Вт;

wокр – относительный объем жидкости;

x – координата вдоль оси сопла или факела распыления, м;

Хщ – ширина щели аппарата, м;

zж – начальная концентрация жидкости в факеле распыления;

zжj – концентрация j-ой композиции;

An – обобщающий критерий;

Anс – обобщающий критерий для струи жидкости;

Anпк – обобщающий критерий для первичной капли;

Anпк.кр – критическое значение обобщающего критерия для первич ной капли;

Anпл – обобщающий критерий для пленки жидкости;

An1 – обобщающий критерий для одиночного объекта;

An1с – обобщающий критерий для одиночной струи жидкости;

An1пк – обобщающий критерий для одиночной капли;

В1пк – критерий, используемый при распаде первичной капли;

В1пк.кр – критическое значение критерия В1пк для первичной капли;

Bo – критерий (число) Бонда;

Boс – критерий (число) Бонда для одиночной струи жидкости;

Boпк – критерий (число) Бонда для одиночной капли;

Fo – критерий (число) Фурье;

Но – критерий (число) гомохронности;

Lp – критерий (число) Лапласа;

Lpс – критерий (число) Лапласа для струи жидкости;

Lpпк – критерий (число) Лапласа для капли;

Nu – критерий (число) Нуссельта;

Pe – критерий (число) Пекле;

Pr – критерий (число) Прандтля;

Re – критерий (число) Рейнольдса;

Reс – критерий (число) Рейнольдса для струи жидкости;

Reпк – критерий (число) Рейнольдса для капли;

Reпк.кр – критическое число Рейнольдса для первичной капли;

Sс – критерий (число) Шмидта;

Sh – критерий (число) Шервуда;

St – критерий (число) Струхаля;

Stс – критерий (число) Струхаля для струи жидкости;

Stпк – критерий (число) Струхаля для капли;

М – критерий (число) Маха;

Мx – число Маха в поперечном сечении сопла с координатой х;

Ма – число Маха в выходном сечении сопла;

М1ск – число Маха перед скачком уплотнения;

М2ск – число Маха за скачком уплотнения;

Мтр – число Маха в трубе (насадке) за скачком уплотнения;

We – критерий (число) Вебера;

Weс – критерий (число) Вебера для струи жидкости;

Weпк – критерий (число) Вебера для капли;

Weпк.кр – критическое число Вебера для первичной капли;

, – угол между струями жидкости и газа, град;

ж – угол между соударяющимися струями жидкости, град;

фр – угол факела распыления, град;

с – коэффициентом сжатия струи;

т – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3·К);

кр – критическое отношение давлений;

пр – угол встречи струи с преградой, град;

тр – угол полураствора трубы, град;

кж – угол входной кромки канала жидкости, град;

ск – угол между скачком уплотнения и направлением потока, рад;

м - коэффициент массоотдачи, м/с;

– показатель адиабаты;

д – деформация сдвига;

д – скорость течения, 1/с;

ст – расстояние от сопла до канала подачи жидкости, м;

пл – толщина пленки жидкости, м;

пс – толщина пограничного слоя, м;

отн – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

о – электрическая постоянная, Ф/м;

с – коэффициент расхода;

а – угол полураствора сопла, град;

в – длина волны колебания, м;

г – коэффициент теплопроводности газа Вт/(м·К);

ж – коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(мК);

т – коэффициент теплопроводности фазы, Вт/(м·К);

– динамическая вязкость среды Пас;

ж – динамическая вязкость жидкости, Па·с;

г – динамическая вязкость газа, Па·с;

ж.пл – пластическая или структурная вязкость, Па·с;

ж0 – вязкость не наполненной системы, Па·с;

эф – эффективная вязкость, Па·с;

– кинематическая вязкость среды, м2/с;

ж – кинематическая вязкость жидкости, м2/с;

г – кинематическая вязкость газа, м2/с;

– плотность среды, кг/м3;

ж – плотность жидкости, кг/м3;

г – плотность газа, кг/м3;

нас – насыпная плотность, кг/м3;

о – плотность газа в трубопроводе подачи (перед соплом), кг/м3;

кр – плотность газа в критическом сечении сопла, кг/м3;

отн – относительная плотность, %;

рп – реальная плотность пара, кг/м3;

тр – плотность пара, соответствующая точке росы при температуре газового потока, кг/м3;

– поверхностное натяжение, Н/м;

пр – предел прочности материала, Па;

q – поверхностное натяжение заряженной капли, Н/м;

– напряжения сдвига, Па;

ск – период собственных колебаний капли, с;

пр – предельное напряжение сдвига, или предел текучести, Па;

Ф – объемная доля наполнителя;

с – коэффициент скорости струи;

пр – угол между осью струи и преградой, град;

гр – угол наклона пограничного слоя струи к ее оси, град;

рас – угол расстановки распылителей, град;

стр – угол между многофазными струями, град;

– показатель, характеризующий степень отклонения от линейной зависимости;

вд – угловая скорость вращения диска, рад/с;

пвэ – угловая скорость вращения ПВЭ, рад/с.

1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ 1.1. Дисперсные системы в технике Актуальность исследования дисперсных систем определяется чрезвы чайно большой распространенностью объектов и явлений, в основе кото рых лежат процессы диспергирования. Это обусловливает разнообразие теоретических и практических проблем, возникающих при исследовании дисперсных систем. Изучение дисперсных систем служит основанием для более углубленного представления о сущности многих объектов и явлений, для дальнейшего развития и совершенствования науки и различных произ водственных процессов. Практически все вещества, с которыми приходит ся встречаться в повседневной жизни, представляют собой дисперсные системы. Дисперсное состояние можно рассматривать как необходимую ступень в строении веществ, следующую за атомами и молекулами. По следние группируются первоначально в ассоциаты или агрегаты, образуя дисперсные фазы, которые, в свою очередь, создают структуру вещества.

Свойства веществ во многом зависят от характера взаимодействия частиц между собой и со средой, в которой они находятся.

Диспергирование применяют во многих отраслях промышленности, особенно в таких как химическая, пищевая, текстильная, фармацевтиче ская, нефтедобывающая, металлургическая. Измельчение, обогащение, сгущение, перемешивание, отстаивание, фильтрация, конденсация, кри сталлизация, спекание, гранулирование и другие процессы образования новых фаз – все эти процессы протекают в дисперсных системах. Многие технологические процессы требуют максимальной поверхности раздела фаз для обеспечения высокой скорости протекания взаимодействия меж ду ними. Уменьшение размеров частиц резко увеличивает коэффициент теплопередачи и, следовательно, уменьшает время протекания процесса, что позволяет значительно уменьшить габариты аппаратов. Поэтому тех нологические смеси находятся в состоянии высокодисперсных систем:

суспензий, паст, пульп, эмульсий, аэрозолей, пен, порошков.

Процесс диспергирования широко используются при сжигании жид кого топлива. Жидкое топливо сжигается в топках паровых котлов, каме рах горения газовых турбин, промышленных печах, двигателях внутрен него сгорания, жидкостных ракетных двигателях и других устройствах.

Способы сжигания жидкого топлива весьма разнообразны, так как зави сят от производительности агрегата, его назначения и ряда других факто ров. Для всех этих способов современная техника сжигания жидкого топ лива считает обязательной стадию распыления, ибо оно, усиливая тепло обмен измельченного топлива с газовой средой и улучшая перемешива ние частиц горючего с окислителем, способствует интенсификации про цесса горения.

Исследование дисперсных систем связано также с решением эколо гических проблем. Значительная часть твердых и жидких загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду, находится в дисперсном состоянии: дымы, туманы, смог, суспензии взвешенных частиц сточных вод, тонкие пленки и эмульсии нефтепродуктов на поверхности морских и речных вод. Процессы диспергирования применяют при обеспечении промышленной безопасности на предприятиях (пожаротушение, утили зация отходов).

Дисперсные системы получили широкое распространение в произ водстве ракетной и космической техники. Многие материалы представ ляют собой дисперсные системы: керамики, смазки, лакокрасочные мате риалы, полимеры, композиционные материалы, пороха, ракетные топли ва, теплозащитные и радиопоглощающие покрытия. Конструкционные и функциональные свойства этих материалов зависят от дисперсности ча стиц и межфазных взаимодействий.

Формирование материалов с комплексом улучшенных или новых свойств является наиболее перспективным и актуальным направлением в современной науке и технике. Для достижения заранее заданных свойств в материал вводят в виде микро- и наночастиц: пигменты, ингибиторы, анти оксиданты, пластификаторы, наполнители и другие компоненты. В настоя щее время активно проводятся исследования ультрадисперсных систем – наносистем (микроэмульсий, тонких жидких пленок, монослоев, пен).

1.2. Классификация дисперсных систем Диспергирование – тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы.

Дисперсные системы – это гетерогенные смеси, у которых одна из фаз сильно раздроблена (диспергирована) и представлена объектами, имею щими очень малые размеры в трех, двух или одном измерениях. Различают дисперсную фазу – фаза, которая диспергирована до малых частиц, и дис персную среду – сплошную непрерывную фазу (жидкая, твердая или газо образная), в которой распределены частицы дисперсной фазы.

Все многообразие дисперсных систем объединяет совокупность двух признаков – гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность характери зует «качество» поверхности, дисперсность – ее количество.

Гетерогенность (многофазность) – указывает на наличие межфаз ной поверхности, на различие в природе (полярности) и структуре фаз.

Количественная характеристика гетерогенности – величина поверхност ного натяжения (). Она определяет степень гетерогенности, резкость перехода от одной фазы к другой. Гетерогенные или многофазные систе мы – это смеси: газовзвеси, аэрозоли, суспензии, эмульсии, жидкости с пузырьками газа, композиционные материалы. Они характеризуются, в отличие от гомогенных смесей (смесей газов, растворов, сплавов), нали чием макроскопических (по отношению к молекулярным масштабам) неоднородностей и включений. В гомогенных смесях составляющие пе ремешены на молекулярном уровне. Промежуточное положение между гетерогенными и гомогенными смесями занимают коллоидные системы (коллоидные растворы).

Дисперсность (степень раздробленности) определяется размером и геометрией частиц. Дисперсная фаза может иметь малые размеры во всех трех измерениях (частицы), в двух измерениях (волокна, нити, капилля ры), в одном измерении (пленки пены, мембраны, адсорбционные слои).

Степень раздробленности (дисперсность) оценивают:

величиной Dдс=1/dч (м-1), где dч – размер частицы, м;

величиной удельной поверхности дисперсной фазы.

Удельная поверхность – это суммарная площадь поверхности всех частиц Sч, отнесенная к их суммарному объему Vч: Sуд=(Sч/Vч) (м-1), или к суммарной массе mч: mуд=(Sч/mч) (м2/кг или м2/г).

Размеры дисперсных частиц, способы их измерения можно сравнить с характерными длинами волн различных видов электромагнитного из лучения, размерами атома и характерной длиной свободного пробега мо лекулы в газе (рис. 1.1) [98, 148, 266, 277, 286].

Длины волн, м Размеры дисперсных частиц, мкм Способы измерения ожиженный слой Пневмотранспорт Радиоволны Гравий Псевдо 10- Распыление в электрическом поле Подвижность частиц жидкости Сита Пузырьки твердых ракетных топлив Металлические частицы Песок Инфракрасный 10- свет Центрифуга Ил Микроскоп Загрязнение воздуха Глина Видимый свет 10- Длина свободного пробега Ультрафио Коллоиды молекулы в воздухе летовый свет 10- 10- Ренгеновское Ультрацентрифуга Мицеллы излучение Размер атома 10-10 10- Гамма излучение Рис. 1.1. Диапазоны размеров дисперсных частиц, способы их измерения в сравнении с характерными размерами некоторых физических объектов 1.2.1. Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы Рассмотрим классификацию дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы (табл. 1.1).

Т а б л и ц а 1. Классификация дисперсных систем по размеру частиц Диаметр частиц dч Тип дисперсной системы 1нм Гомогенные системы (истинные растворы) 1…100нм Коллоидные растворы. Ультрамикрогетерогенные системы 100…1000нм Коллоидные растворы. Микрогетерогенные системы 1мкм…0,1мм Грубодисперсные системы 0,1мм Макротела Количественные границы дисперсного состояния системы обуслов лены объективными критериями – качественными скачкообразными из менениями свойств систем при переходе через эти границы. Например, для коллоидных растворов нижняя граница размеров (d1нм) обусловле на тем, что при дальнейшем дроблении утрачивается гетерогенность, то есть происходит переход к истинным гомогенным растворам. При при ближении к этой границе удельная поверхность дисперсной фазы дости гает предельно больших значений и падает до нуля при переходе через нее. Верхняя граница коллоидных растворов (d1000нм) определяется качественным изменением молекулярно-кинетических свойств – при пе реходе к грубодисперсным системам утрачивается свойственная колло идным растворам способность к броуновскому движению частиц. Оно затухает при увеличении размеров частиц и полностью исчезает при d1мкм. Таким образом, коллоидные системы образуют качественно своеобразную промежуточную область в ряду дисперсных систем, в ко торой совершается переход от истинно гомогенных к истинно гетероген ным системам, причем они сочетают в себе свойства обоих типов систем [58, 70, 98, 148, 266, 277, 296].

1.2.2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз По агрегатному состоянию фаз – дисперсная фаза и дисперсионная среда могут быть в каждом из трех агрегатных состояний – твердом, жидком и газообразном, образуя девять различных сочетаний (табл. 1.2) [58, 70, 98, 234, 266, 277, 296].

Т а б л и ц а 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз Дисперсная фаза Название дисперсной Примеры Дисперсная среда системы Лиозоль Гидрозоли, латексы Твердая фаза Суспензия Пульпа, взвеси частиц в воде Жидкая среда Паста (концентриро Цемент, керамические массы ванная суспензия) Жидкая фаза Эмульсия Нефть, молоко, масло Жидкая среда Газовая фаза Пена Пена для пожаротушения Жидкая среда Твердая фаза Твердый золь Цветные стекла, резина Твердая среда Жидкая фаза Твердый золь Опал, жемчуг Твердая среда Газовая фаза Пенопласты, пенобетон, ак Пористые тела Твердая среда тивный уголь Твердая фаза Аэрозоли Дымы, пыли Газовая среда Жидкая фаза Аэрозоли Дымы, туманы Газовая среда Газовая фаза Системы с флуктуаци Атмосфера Земли Газовая среда ями плотности 3оли занимают промежуточное положение между истинными рас творами и грубодисперсными системами (суспензиями, эмульсиями).

В зависимости от дисперсионной среды золи бывают:

твердые золи (твердая дисперсионная среда);

аэрозоли (газообразная дисперсионная среда);

лиозоли (жидкая дисперсионная среда), в зависимости от природы среды лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органиче ская среда).

1.2.3. Классификация дисперсных систем по характеру межмолекулярного взаимодействия По характеру межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз дисперсные системы делятся на две группы [70, 260, 277, 296].

1) Лиофобные системы характеризуются сильным различием дис персионной фазы и дисперсионной среды по природе, химическому со ставу, строению (эмульсии вода/масло и масло/вода, латексы, золи нерас творимых в воде веществ). Между дисперсной фазой и дисперсионной средой наблюдается весьма слабое межмолекулярное взаимодействие.

Межмолекулярные силы сильно не скомпенсированы на поверхности раздела фаз. Поверхностная энергия велика, поверхностное натяжение имеет высокое значение (0). Такие системы не могут возникать само произвольно, они термодинамически неустойчивы, находятся в метаста бильном состоянии, требуют специальной стабилизации. При снятии действия стабилизатора начинается процесс коагуляции. Коагуляция – сцепление (слипание) частиц дисперсной фазы в свободнодисперсной системе. Коагуляция приводит к переходу свободнодисперсной системы в связнодисперсную структурированную систему. Частицы при столкно вениях слипаются за счет действия сил межмолекулярного притяжения в агрегаты, укрупнение которых приводит к расслоению системы на две макрофазы с минимальной поверхностью раздела и, следовательно, с минимальной поверхностной энергией.

2) Лиофильные системы характеризуются сильным межмолекуляр ным взаимодействием между дисперсной фазой и дисперсионной средой и весьма низким значением свободной поверхностной энергии (0).

Они способны образовываться в результате самопроизвольного диспер гирования, являются термодинамически устойчивыми. Самопроизволь ное диспергирование возможно, если энергия диспергирования полно стью компенсируется уменьшением свободной энергии вследствие меж фазного взаимодействия на вновь образующейся поверхности и вслед ствие возрастания энтропии благодаря включению частиц в тепловое движение.

1.2.4. Классификация по структуре дисперсной системы По структуре дисперсные системы делят на два класса [70, 276, 277, 296].

1. Свободнодисперсные системы. Частицы не связаны между собой, совершают броуновское движение независимо друг от друга. Ведут себя как вязкие жидкости (лиозоли), газы (аэрозоли).

2. Связнодисперсные системы. Частицы связаны друг с другом (обычно за счет межмолекулярных сил), они образуют пространствен ную сетку (каркас), в ячейках которой удерживается дисперсионная среда. Это твердообразные системы – гели и студни. Гели образуются в результате структурообразования частиц и являются двухфазными си стемами. Студни – гомогенные системы, возникающие из растворов по лимеров в результате образования поперечных связей между макромоле кулами.

1.3. Структурно-механические свойства дисперсных систем Структурно-механические или реологические свойства (вязкость, упругость, пластичность, прочность) дисперсных систем связаны с их структурой [58, 70, 82, 98, 148, 249, 250, 276, 277, 296].

Дисперсная структура – неупорядоченная пространственная сетка в дисперсной системе (каркас), образованная частицами дисперсной фазы, соединёнными молекулярными силами различной природы.

В свободнодисперсных системах концентрация дисперсной фазы не может быть очень большой, так как в противном случае неизбежно воз никал бы контакт между отдельными частицами. В результате образовы вались бы пространственные сетки или, по крайней мере, объем системы заполнялся настолько частицами дисперсной фазы, что свободное пере мещение частиц по отношению друг к другу было бы невозможно. При введении в систему стабилизатора, препятствующего сближению частиц, а, следовательно, и проявлению молекулярных сил между частицами, можно значительно увеличивать критическую концентрацию, при кото рой возникают связи между элементами структурной сетки. В связнодис персных системах концентрация дисперсной фазы может достигать очень больших значений.

Из-за несвязанности друг с другом отдельных частиц в свободно дисперсных системах проявляется способность к вязкому течению, то есть к непрерывному изменению своей формы во времени под влиянием напряжений сдвига. При этом течение этих систем обычно подчиняется тем же закономерностям, что и течение чистой дисперсионной среды, вязкость такой системы обычно выше вязкости чистой среды.

Связнодисперсные системы, вследствие наличия сил взаимодействия между частицами, обладают в известной степени свойствами твердых тел – способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, часто эластичностью. Расположение частиц в связнодисперсных систе мах напоминает сетчатую структуру. Сетка из-за малой прочности связи между отдельными элементами сравнительно легко разрушается, и си стема приобретает способность течь.

Структурированные жидкости представляют собой системы с малой концентрацией дисперсной фазы, но с явно выраженной тенденцией ча стиц к слипанию. Структурированные жидкости обладают реологиче скими свойствами, промежуточными между свойствами свободно- и связнодисперсных систем. Эти жидкости способны течь, но они не под чиняются законам течения обычных неструктурированных жидкостей.

Специфическим свойством дисперсных систем является тиксотро пия – способность структуры после ее разрушения самопроизвольно вос станавливаться во времени. Сущность тиксотропии заключается в том, что разрушенные связи восстанавливаются в результате случайных удач ных соударений частиц, находящихся в броуновском движении.

Дилатансия – явление, противоположное тиксотропии, проявляю щееся в небольшом сопротивлении системы при низком напряжении сдвига и высоком сопротивлении при большом сдвиговом усилии. Дила тансия характерна для очень концентрированных агрегативно устойчи вых суспензий, у которых нет постоянного контакта между частицами.

Рейнольдс, открывший это явление в 1885г., объяснил его тем, что дила тантное течение системы возможно только при малых напряжениях сдви га и малом изменении относительного положения частиц. При больших напряжениях сдвига происходит местное сближение частиц и соответ ственно уменьшается свободное пространство для течения, в результате чего движение жидкости затрудняется или приостанавливается.

В дисперсных системах часто структурным элементом являются ми целлы. Мицелла – отдельная частица дисперсной фазы коллоидной си стемы с жидкой дисперсионной средой. Мицелла состоит из ядра кри сталлической или аморфной структуры и поверхностного слоя, включа ющего сольватно связанные молекулы окружающей жидкости. Сольва тация – связывание молекул растворителя молекулами или ионами рас творённого вещества (дисперсной фазой).

Синерезис – сокращение объема геля или студня с выделением жид кой фазы в результате самопроизвольного уплотнения структурной сет ки. Объем геля или студня уменьшается и дисперсионная среда спонтан но выпрессовывается. В результате образуются две макрофазы – жидкая и твердообразная, причем последняя сохраняет форму сосуда, в котором находился первоначальный гель или студень.

Причиной синерезиса является то, что при образовании студня или геля не достигается равновесия системы и в ней продолжаются процессы, связанные с его установлением. У лиогелей эти процессы могут сводить ся к рекристаллизации. У высокомолекулярных студней эти процессы сводятся к установлению связей между макромолекулами, что способ ствует дальнейшему уменьшению объема студня.

1.4. Технологические композиции и смеси, их свойства Смесь может быть готовым продуктом производства (клей, герметик, компаунд или связующие для композиционного материала), а также полу фабрикатом (суспензия, эмульсия, раствор, расплав), назначение смеси определяет конкретный технологический процесс. Формирование смеси целесообразно проводить из композиций, предварительно полученных из компонентов этой смеси. Композиции в отличие от отдельных компонен тов смеси имеют необходимые технологические параметры (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, температура), обеспечивающие эф фективное формирование из них качественной смеси. Композиции, как и полученные из них смеси, представляют собой дисперсные системы. Они могут содержать в своем составе полимерные высокомолекулярные веще ства, смолы, пластификаторы, растворители, разбавители, наполнители, пигменты, стабилизаторы, отвердители и другие компоненты.

1.4.1. Вязкость жидкости Большинство исходных компонентов и композиций на их основе яв ляются аномально-вязкими жидкостями. Их вязкость зависит от режима течения даже при малых числах Рейнольдса. Они относятся к неньюто новским жидкостям или, в терминах механики, реологическим. Многие композиции обладают структурной вязкостью. Возникновение структур ной вязкости в коллоидно-дисперсных системах и растворах полимеров обусловлено тем, что при течении структурированной жидкости работа внешних сил затрачивается не только на преодоление истинной (ньюто новской) вязкости, но и на разрушение надмолекулярной структуры, пе реориентацию вытянутых частиц, ассоциированных молекул и частиц в потоке. Структурная вязкость играет важную роль при подаче исходных компонентов технологических композиций по трубопроводам, а так же на этапе диспергирования жидкости на капли.

Некоторые компоненты и исходные композиции представляют собой ньютоновские жидкости (вода, низкомолекулярные органические жидко сти, растворы и расплавы солей) (приложение 1). У них вязкость не зави сит от режима течения и является постоянной характеристикой, опреде ляемой молекулярной природой жидкости, и зависит от ее состояния (температуры и давления) [82, 249, 250].

Таким образом, ньютоновские и неньютоновские жидкости можно разбить на следующие группы.

1. жидкости низкой вязкости (динамическая вязкость ж=0,3...50 мПас;

поверхностное натяжение =10...80мН/м).

2. жидкости средней вязкости (динамическая вязкость ж=50...200 мПас;

поверхностное натяжение =80...140мН/м).

3. жидкости высокой вязкости (динамическая вязкость ж=200...500мПас;

поверхностное натяжение =140...200мН/м).

4. жидкости сверхвысокой вязкости (динамическая вязкость ж=0,5...3000Пас;

поверхностное натяжение =200...500мН/м).

1.4.2. Поверхностное натяжение жидкости Поверхностное натяжение во многом определяет такие важные свой ства жидкости, как способность к диспергированию и смачиванию по верхности, скорость слияния капель жидкости, их растекание на поверх ности. Работа, затрачиваемая на создание новой поверхности при диспер гировании жидкостей и высвобождаемая при слиянии дисперсных частиц (пленкообразовании), пропорциональна их поверхностному натяжению (приложение 2).

Поверхностное натяжение смесей или композиций как многокомпо нентных систем определяется поверхностной активностью входящих в их состав жидких компонентов [58, 82, 249, 250].

Поверхностное натяжение композиций, представляющих собой рас творы полимеров, во многом определяется природой растворителей. Для большинства наиболее употребительных растворителей (ароматических и алифатических углеводородов, сложных эфиров, спиртов, кетонов) =17...46мН/м. С увеличением содержания растворителя поверхностное натяжение композиции, как правило, уменьшается, причем тем значи тельнее, чем меньше поверхностное натяжение взятого растворителя.

Наиболее высокие значения поверхностного натяжения имеют компози ции, в которых растворителем или дисперсионной средой служит вода, так как для воды =73мН/м. Такие композиции неудовлетворительно смачивают гидрофобные и плохо обезжиренные поверхности. Поверх ностное натяжение расплавов определяется исключительно их химиче ской природой, оно мало зависит от молекулярной массы расплава, но линейно уменьшается с увеличением температуры.

Для уменьшения поверхностного натяжения композиций и улучше ния смачивания ими поверхности в их состав вводят смачивающие веще ства: силиконовые масла, полимеры простых виниловых эфиров, низко молекулярные пластификаторы, некоторые поверхностно-активные ве щества (ПАВ). Это позволяет одновременно регулировать и другие свой ства композиций: реологические, электрические (способность заряжаться в электрическом поле), стабильность (отсутствие расслоения) при хране нии.

1.4.3. Разновидности течений жидкостей В зависимости от состояния жидкости и ее физико-химических свойств можно выделить следующие разновидности течений: ньютонов ское течение, дилатантное течение, псевдопластическое течение, пла стическое течение.

Для ньютоновских жидкостей (воды, органических растворителей) вязкость может быть вычислена по уравнению Ньютона [82]:

.

(1.1) Для них свойственна прямо пропорциональная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига или скоростью течения.

Коэффициент пропорциональности Ж служит мерой динамической вяз кости. Отношение динамической вязкости к плотности жидкости ж представляет кинематическую вязкость ж, выражаемую в м2/с (1м2/с=104Ст). Ньютоновские жидкости характеризуются постоянством вязкости в широком интервале напряжений и скоростей сдвига (рис. 1.2, кривая 1) [43, 58, 82, 249, 250, 274].

4 А ж 2 1 0 пр lg lgж Б lgжмакс б а а б lgжмин lg lg 0 Рис. 1.2. Кривые течения жидкостей: А – предельные случаи течения;

Б – течение неньютоновских жидкостей и расплавов полимеров;

1 – ньютоновское течение;

2 – дилатантное течение;

3 – псевдопластическое течение;

4 – пластическое тече ние;

а – сильноструктурированная система;

б – слабоструктурированная система Многие композиции по своему реологическому поведению суще ственно отличаются от ньютоновских жидкостей. В зависимости от фи зической природы (раствор, слабо- или сильнонаполненная дисперсия) и степени проявления взаимодействующих сил они характеризуются раз ными видами течения (рис. 1.2, кривые 2 – 4, а и б). Наиболее типичными для них являются пластическое и псевдопластическое течения, связанные с разной степенью структурообразования в массе композиции.

Пластическое течение связано с явлением тиксотропии – восстанов лением надмолекулярной структуры материала. При установившейся структуре тиксотропные жидкости неподвижны и нетекучи, однако, они легко деформируются, например, наносятся на поверхность, если эта структура разрушена. Такие материалы представляют собой типичные бингамовские тела (рис. 1.2, кривая 4). Они приближенно могут быть описаны уравнением вязкопластического течения Шведова–Бингама [58, 82, 234]:

пр ж.пл д, (1.2) где пр – предельное напряжение сдвига, или предел текучести, Па;

ж.пл – пластическая или структурная вязкость, Па·с.

Композиции, изготовленные на основе полимеров, при отсутствии в их составе тиксотропирующих добавок, имеют малую степень тиксотро пии, они лишены предельного напряжения сдвига пр, однако для них также свойственно проявление структуры и значительное отклонение от ньютоновских жидкостей в реологическом поведении. Такие композиции ведут себя как псевдопластические жидкости (рис. 1.2, кривая 3) и при истечении подчиняются уравнению [58, 82, 234]:

ж д, (1.3) где – показатель, характеризующий отклонение от линейной зависимо сти.

При дальнейшем увеличении скорости течения вязкость псевдопла стических жидкостей становится постоянной. Именно она и принимается за показатель вязкости материала эф – эффективная вязкость.

Менее характерен для композиций обратный случай реологического поведения – повышение вязкости с увеличением скорости течения, свой ственный дилатантным системам (рис. 1.2, кривая 2). Он отмечается, в частности, у высоконаполненных составов (густотертые масляные краски и шпатлевки) особенно при введении в них водных разбавителей.

При использовании расплавов полимеров и олигомеров возникает необходимость в оценке их реологических свойств. Типовая кривая тече ния расплавов полимеров в логарифмических координатах имеет S-образную форму (кривые а и б на рис. 1.2, Б). При низких и высоких зна чениях напряжений и скоростей сдвига наблюдается прямолинейная зави симость, что соответствует наибольшей ж.макс и наименьшей ж.мин ньюто новским вязкостям. Отклонения от прямолинейной зависимости на сред нем участке кривой вызваны структурными изменениями в полимерах.


Многие синтетические материалы, смолы, представляют собой вяз коупругие среды, обладающие как вязкой текучестью, так и свойством упругого восстановления своей формы. Для этих сред были установлены два отличных друг от друга реологических закона, соответствующих двум различным подходам к определению совместного действия сил упругости и вязкости среды.

В закономерности, предложенной Фойхтом, используется «парал лельное», одновременное действие упругости и вязкости, при котором общее касательное напряжение представляется формулой [82]:

1 2 G д д, (1.4) ж где G – модуль сдвига, Па;

д – деформация сдвига.

«Последовательное» действие упругости и вязкости положено в ос нову реологического закона Максвелла, выражающего суммирование скоростей сдвига [82]:

.

(1.5) д д1 д 2 G ж Можно отметить разницу между моделями Фойхта и Максвелла. Для модели Фойхта характерным является тот факт, что при действии постоян ного напряжения скорость сдвига под действием постоянной нагрузки быстро стремиться к нулю, то есть «тело» Фойхта не обладает свойством беспредельной текучести. «Тело» Максвелла, в противоположность «телу»

Фойхта, будет течь под действием постоянной нагрузки с постоянной ско ростью сдвига. Поэтому среду, подчиненную реологическому закону Фойхта, называют вязкоупругим «твердым» телом, в отличие от «тела»

Максвелла, которое представляет собой вязкоупругую «жидкость».

1.4.4. Регулирование реологических свойств В практических условиях при получении технологических компози ций нередко возникает заинтересованность в изменении вязкости распла вов и растворов. Это достигается применением соответствующих раство рителей, разбавителей, пластификаторов, изменением температуры, из менением содержания наполнителя. Зависимость вязкости жидкости от температуры приближенно определяется уравнением, аналогичным урав нению Аррениуса [43, 58, 82, 234]:

ж k 1 e(E RT ж ), (1.6) где Е – энергия активации вязкого течения, Дж/кг;

R – газовая постоян ная, Дж/(кг·°К);

Тж – температура жидкости, К;

k1– эмпирический коэф фициент.

Вязкость увеличивается при наполнении, и для систем, где отсут ствует взаимодействие дисперсных частиц с дисперсионной средой, ее изменение может быть описано уравнениями Эйнштейна (1.7) и Гута (1.8) [43, 58, 82, 234]:

ж=ж0·(1+2,5·Ф), (1.7) ж=ж0·(1+k2·Ф+k3·Ф2), (1.8) где ж0 – вязкость системы без наполнителя, Па;

Ф – объемная доля наполнителя;

k2 и k3 – эмпирические коэффициенты.

Большинство композиций, которым свойственна структурирован ность, имеет ж.пл=0,01...0,4Пас и пр=0...15Па. Пластическая вязкость некоторых промышленных тиксотропных смесей достигает ж.пл=15...50Па·с, а предельное напряжение сдвига — нескольких десят ков и даже сотен Па [43, 58, 234, 256].

1.4.5. Растворы Раствор – гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом. Раствор – система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия. Растворимое веще ство распределено в растворителе в виде молекул, атомов или ионов.

Растворение – переход молекул вещества из одной фазы в другую.

Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твёрдых веществ и её уменьшением при растворении газов.

При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физиче ские свойства раствора (плотность, вязкость) меняются [98, 99, 148, 260, 261, 280].

1.4.6. Расплавы Расплав – жидкое расплавленное состояние вещества при темпе ратурах, расположенных между температурами плавления и кипения.

На практике расплавами, как правило, называют те вещества, нахо дящиеся в жидком агрегатном состоянии, которые при нормальных усло виях существуют исключительно или преимущественно в твёрдом агре гатном состоянии [39, 126, 192, 239, 240, 242].

Природа и характер поведения расплавов определяются видом хи мических связей элементов в расплавленном веществе. Расплавы принято характеризовать наличием ближнего порядка связей между образующи ми его частицами и отсутствием среднего и дальнего порядков.

1.4.7. Связующие Связующее является важнейшим компонентом композиционного материала. Композиционный материал - многофазный однородный ани зотропный материал регулярной структуры с четко выраженной границей раздела фаз [7, 35, 99, 162, 170, 269-272, 277, 283-285].

В зависимости от строения макромолекул связующие неодинаково реагируют на тепловое воздействие. По этому признаку они классифици руются на термопластичные и термореактивные связующие.

Термореактивные связующие – легкорастворимые продукты (смо лы), способные отверждаться при нагреве под действием отвердителей, катализаторов с образованием после отверждения необратимой сетчатой структуры (нерастворимой и неплавкой).

Термопластичные связующие – высокомолекулярные линейные по лимеры, которые при нагревании расплавляются, а при последующем охлаждении затвердевают и их состояние после отверждения обратимо.

Основными компонентами большинства связующих являются смолы – смесь реакционноспособных низкомолекулярных полимеров, также в состав связующего могут входить растворители или разбавители, пла стификаторы, отвердители и другие вещества. Природа, молекулярная масса, количество реакционноспособных групп определяют температуру размягчения смолы, вязкость расплава или раствора, смачивающую спо собность и условия отверждения связующего.

Применяемые для связующих смолы в исходном состоянии пред ставляют собой твердые вещества или жидкости, вязкость которых зави сит от физико-химической природы полимера и его молекулярного веса.

Для придания связующему требуемой технологической вязкости в поли мерную смолу вводят соответствующие растворители или разбавители.

Для этой же цели широко используют расплавление полимерных ингре диентов связующего до нужной консистенции путем нагревания его до соответствующей температуры.

Пластификация – увеличение подвижности структурных элементов полимера при введении в него специально веществ (пластификаторов), не взаимодействующих химически с полимером. Пластификаторы приме няются для модификации полимеров с целью создания полимерных ма териалов с комплексом необходимых технологических свойств и облег чения переработки пластифицированных полимеров в изделия. При вве дении пластификаторов помимо увеличения эластичности улучшаются и другие свойства пластифицированных материалов: морозостойкость, ог нестойкость, стойкость к действию ультрафиолетовых лучей.

Фенолформальдегидные смолы. Фенолформальдегидные смолы получают поликонденсацией фенолов с альдегидами. В зависимости от соотношения компонентов и условий процесса образуются новолачные или резольные фенолформальдегидные смолы. Процесс отверждения фенолформальдегидных смол проводят в интервале температур 160...200°С под давлением 30...40МПа и выше. К недостаткам фенолфор мальдегидных смол можно отнести их большую объемную усадку при отверждении (15...25%), связанную с выделением большого количества летучих веществ. Фенолформальдегидные смолы очень хрупки, что обу словлено значительными остаточными напряжениями, возникающими в материале при отверждении.

Полиэфирные смолы. Полиэфирные смолы представляют собой насыщенные сложные эфиры, их смеси между собой или с низкомолеку лярными мономерами. К преимуществам полиэфирных связующих отно сятся: малая вязкость;

способность отверждаться в широком температур ном интервале без применения высоких давлений вследствие того, что процесс протекает без выделения низкомолекулярных веществ;

простота модифицирования другими смолами.

Недостатки полиэфирных смол – невысокий уровень механических характеристик в отвержденном состоянии;

небольшая адгезия ко многим наполнителям;

малая жизнеспособность связующих;

достаточно большая усадка и наличие в составе токсичных мономеров (типа стирола).

Эпоксидные смолы. Эпоксидные смолы – это смесь олигомерных продуктов с эпоксидными группами на концах звеньев. Чаще применяют эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина и дифенилпропана, называемые диановыми (смолы типа ЭД), или из эпихлоргидрина и про дуктов поликонденсации метилолфенолов, называемые полиэпоксидны ми либо эпоксифенольными смолами (смолы ЭФ, ЭМ). В последнее вре мя используют смолы из эпихлоргидрина и анилина (смола ЭА), диами нодифенилметана (смола ЭМДА), производных циануровой кислоты (смола ЭЦ) и другие.

Эпоксидным связующим присущ комплекс благоприятных свойств, определивших их широкое применение в производстве конструкций из композиционных материалов. К этим свойствам относятся: высокие ме ханические и адгезионные характеристики, позволяющие достаточно полно использовать свойства волокон. Высокая технологичность связу ющих обеспечивает высокопроизводительную пропитку волокон, формо вание изделия и его окончательное отверждение.

Эпоксидные связующие обладают хорошей адгезией к различным волокнам, могут длительное время находиться в недоотвержденном со стоянии, что позволяет изготавливать на их основе предварительно про питанные и частично отвержденные полуфабрикаты (препреги). Процесс отверждения смол можно при необходимости проводить в широком ин тервале температур, и он протекает без выделения летучих веществ, с малой объемной усадкой (1...5%). Отвержденные эпоксидные связующие имеют достаточно высокие механические характеристики, стойки к дей ствию многих растворителей и агрессивных сред, влагостойкие, их тем пература эксплуатации может достигать порядка 150...200°С.


Технологические методы приготовления различных связующих имеют ряд одинаковых операций: дозирование компонентов, составление рецептуры, перемешивание компонентов и их гомогенизация. Поэтому формирование различных связующих возможно на одном и том же обо рудовании при незначительном изменении технологических режимов (приложение 3).

1.4.8. Клеи Клеи – вещества или смеси веществ органического или неорганиче ского происхождения, которые благодаря сочетанию хорошего прилипа ния (адгезии), механической прочности (когезии), отсутствию хрупкости, минимальной усадке при отверждении пригодны для соединения различ ных материалов.

Большинство современных клеев являются композициями на основе различных полимеров, клеящие свойства которых зависят от строения и структуры макромолекул, а также от ряда других факторов.

Методы изготовления клеев на основе различных синтетических по лимеров весьма разнообразны, так как полимеры могут использоваться в виде растворов в органических растворителях или в мономерах, без рас творителей, в виде клеевых смол, отверждающихся в присутствии специ альных добавок, различных эмульсий.

Наиболее обширную группу клеев представляют собой растворы различных полимеров (полиизобутилен, каучуки, фенолоальдегидные смолы, поливинилхлорид, полимеры простых виниловых эфиров, поли винилацетат, полиамиды) или их смесей в органических растворителях.

Смолы также являются основой клеев, отверждающихся при введе нии специальных добавок (отвердителей), или компонентами более сложных клеевых систем. Основой клеевых смол являются в большин стве случаев термореактивные соединения, представляющие собой ли нейные полимеры, олигомеры или мономерные вещества. Эти вещества при воздействии катализаторов, отвердителей, повышенной температуры способны превращаться в неплавкие и нерастворимые конечные продук ты, обладающие хорошей тeплocтойкocтью и высокой клеящей способ ностью.

Клеи на основе термопластичных полимеров применяются в виде растворов в органических растворителях или в мономерах, а также в виде клеящих лент и пленок [7, 35, 99, 169, 170, 269, 276, 283].

1.4.9. Герметики Герметики – полимерные композиции, предназначенные для нанесе ния на детали неподвижных соединений с целью обеспечения их непроницаемости. Герметики делятся на термопластические композиции (термопласты) и герметики на основе реактопластов. Полимерной основой герметиков в большинстве случаев служат эластомеры – каучуки, поли изобутилен, полиуретаны. В момент нанесения герметики представляют собой пасты, замазки, растворы в органических растворителях. Герме тизация наступает после отверждения (вулканизации) полимерной основы или образования пленки после испарения растворителя. Исключение составляют материалы, относящиеся к группе невысыхающих герметиков, которые обеспечивают герметизацию, не претерпевая структурных изменений [7, 35, 276].

1.4.10. Газонаполненные пластмассы (ГНПМ) Газонаполненные пластмассы (ГНПМ) характеризуются физической агрегативной неоднородностью из-за наличия в полимерной матрице бо лее или менее равномерно диспергированных газовых включений.

Газовая фаза во вспененном полимере распределяется в пустотах (полостях), называемых ячейками. В зависимости от метода вспенивания и особенностей рецептуры ячейки могут иметь форму сфер, многогран ников, вытянутых капилляров полиэдрического сечения и размеры от нескольких микрон до нескольких миллиметров [6-8, 35, 57, 72,73, 169, 170, 206, 274].

Различают замкнутоячеистые материалы, в которых газ изолирован полимерными стенками от газовой фазы соседних ячеек, и открытоячеи стые (открытопористые), в которых распределение газовой среды не дис кретно и ячейки взаимосвязаны. Материалы с закрытыми ячейками назы ваются пенопластами, с сообщающимися между собой ячейками – поро пластами. Подобное разграничение условно, поскольку получение ГНПМ с автономной системой ячеек, так же как и материалов открыто пористой структуры (даже на основе одного и того же полимера), затруд нено. Поэтому деление ГНПМ на пено- и поропласты условно и приме няется лишь в тех случаях, когда требуется отметить преобладающий характер структуры того или иного материала.

1.4.11. Суспензии Суспензия или взвесь – смесь веществ, где твёрдое вещество распре делено в виде мельчайших частичек в жидком веществе во взвешенном состоянии. Суспензии получают диспергированием при перемешивании порошков с жидкостью или при измельчении твердых тел в жидкости.

Суспензия – это грубодисперсная система с размером частиц более 10-6м.

Взвесь – система с размером частиц 10-6…10-7м. Грубодисперсные сус пензии седиментационно неустойчивы. Обычно частицы дисперсной фа зы настолько велики (более 10мкм), что оседают под действием силы тяжести (седиментируют). Во взвесях седиментация (оседание частиц) идёт очень медленно. Скорость седиментации зависит от размера и фор мы частиц, разности плотностей частиц и среды, вязкости среды [68, 70, 90, 108, 148, 195, 230].

Агрегативная устойчивость суспензии (способность частиц не сли паться) зависит от плотности поверхностного электрического заряда ча стиц, их потенциала (потенциал Штерна), толщины двойного электриче ского слоя (сольватного слоя), интенсивности взаимодействия частиц со средой (лиофильности суспензии). Понижение этих параметров приводит к потере агрегативной устойчивости. Осаждение частиц из суспензии (разделение фаз) может быть ускорено путем их укрупнения в результате коагуляции при введении в суспензию электролитов, под действием электрического или магнитного поля, теплового воздействия. Осадки, образующиеся из коагулированных суспензий, являются более рыхлыми.

В свободнодисперсных суспензиях частицы свободно перемещаются в среде. В связнодисперсных суспензиях частицы объединены в цепочки, сетки и являются неподвижными. Разбавленные суспензии являются ньютоновскими жидкостями, их вязкость мало отличается от вязкости дисперсионной среды и линейно возрастает с ростом концентрации дис персной фазы согласно закону Эйнштейна. Дальнейшее увеличение кон центрации дисперсной фазы приводит к более резкому возрастанию вяз кости суспензии, которое связано с процессом структурообразования и переходом суспензии в связнодисперсную.

1.4.12. Эмульсии Эмульсия – смесь жидкостей, которые нерастворимы или мало рас творимы друг в друге. В смеси должен присутствовать эмульгатор (ста билизатор). Эмульсии тем седиментационно устойчивее, чем ближе плотности обеих фаз [68, 70, 99, 108, 148, 195, 230, 261].

Классификация эмульсий. Эмульсии классифицируют:

по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды;

по концентрации дисперсной фазы в системе.

По полярности различают:

эмульсии первого рода (прямые эмульсии) – неполярная жид кость в полярной жидкости (например, масло в воде);

эмульсии второго рода (обратные эмульсии) – полярная жид кость в неполярной жидкости (например, вода в масле).

Эмульсии первого рода обозначают через м/в, где под буквой «м»

подразумевается масло или иная неполярная жидкость, а под буквой «в»

— вода или другая полярная жидкость. Эмульсии второго рода обозна чают соответственно через в/м.

По концентрации эмульсии делят на:

разбавленные, концентрированные, высококонцентрированные или желатинированные.

К разбавленным эмульсиям относятся системы «жидкость – жид кость», содержащие до 0,1объемн.% дисперсной фазы. Разбавленные эмульсии по размеру частиц резко отличаются от концентрированных и высококонцентрированных эмульсий, являясь наиболее высокодисперс ными. Диаметр капель в разбавленных эмульсиях составляет порядка 10-7м, то есть близок к размеру коллоидных частиц. Разбавленные эмуль сии обычно образуются без введения в систему специальных эмульгаторов.

а) б) в) Рис. 1.3. Строение эмульсий с большим содержанием дисперсной фазы:

а – монодисперсная эмульсия с содержанием дисперсной фазы менее 74 объемн.%;

б – полидисперсная эмульсия;

в – желатинированная эмульсия К концентрированным эмульсиям относятся системы «жидкость– жидкость» со сравнительно большим содержанием дисперсной фазы, вплоть до 74 объемн.% (рис. 1.3, а). Эту концентрацию часто указывают как максимальную для эмульсий этого класса потому, что она в случае монодисперсной эмульсии соответствует максимально возможному объ емному содержанию недеформированных сферических капель независи мо от их размера. Для полидисперсных эмульсий указанный предел явля ется условным, так как в таких эмульсиях, маленькие капли могут раз мещаться между большими каплями (рис. 1.3, б).

Так как концентрированные эмульсии получают обычно методом диспергирования, то размер их капель относительно велик и составляет 0,1…1мкм и больше. Такие концентрированные эмульсии относят к мик рогетерогенным системам. Концентрированные эмульсии легко седимен тируют, причем седиментация происходит тем быстрее, чем больше раз ница между плотностями дисперсной фазы и дисперсионной среды.

К высококонцентрированным (желатинированным) эмульсиям отно сят системы «жидкость—жидкость» с содержанием дисперсной фазы выше чем 74обьемн.%. Особенностью таких эмульсии является взаимное деформирование капель дисперсной фазы, в результате чего они приоб ретают форму многогранников (полиэдров), разделенных тонкими плен ками – прослойками дисперсионной среды (рис. 1.3,в). Вследствие плот ной упаковки капель высококонцентрированные эмульсии не способны к седиментации и обладают механическими свойствами, сходными со свойствами гелей.

Эмульсии агрегативно неустойчивы из-за избытка свободной энер гии на межфазной поверхности. Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капель с после дующим слиянием (коалесценцией) отдельных капель друг с другом. В пределе это может приводить к разделению эмульсии на два слоя, из ко торых один соответствует жидкости, образующей в эмульсии дисперс ную фазу, а другой – жидкости, являющейся дисперсионной средой.

На агрегативную устойчивость эмульсий влияет содержание в си стеме эмульгатора. Эмульгатор, адсорбируясь на межфазной границе, понижает межфазное поверхностное натяжение и в отдельных случаях может приводить к образованию равновесных коллоидных систем. При наличии стабилизатора на границе раздела фаз между каплями возникают силы отталкивания (энергетический барьер), способствующие устойчи вости эмульсии.

1.4.13. Пены Пены – грубые высококонцентрированные дисперсии газа (обычно воздуха) в жидкости. Пузыри газа в таких системах имеют размер поряд ка нескольких миллиметров, а в отдельных случаях и сантиметров. Бла годаря избытку газовой фазы и взаимному сдавливанию пузыри пены имеют не сферическую форму, а представляют собой полиэдрические ячейки, стенки которых состоят из весьма тонких пленок жидкой диспер сионной среды. Пены образуются при диспергировании газа в жидкости в присутствии пенообразователей (стабилизаторов). Жидкости без пенооб разователей устойчивой пены не дают [68, 70, 90, 98, 155, 230, 257].

От типичных пен, представляющих высококонцентрированные дис персии газа в жидкости, следует отличать низкоконцентрированные систе мы «газ–жидкость», в которых газовые пузырьки находятся на сравнитель но большом расстоянии друг от друга. Эти системы по свойствам ближе к разбавленным эмульсиям. Однако благодаря большой разнице в плотно стях жидкой и газовой фазы такие системы обладают очень малой седи ментационной устойчивостью и существуют непродолжительное время.

1.4.14. Аэрозоли Аэрозоли (аэродисперсные системы) – дисперсные системы с газовой дисперсионной средой. Отличие аэрозолей от лиозолей обусловлено раз реженностью и меньшей вязкостью дисперсионной газовой среды. По этому броуновское движение в аэрозолях происходит гораздо интенсив нее, а седиментация (оседание) частиц идет значительно быстрее, чем в лиозолях.

Классификация аэрозолей. По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы – системы с жидкой дисперсной фазой и дымы – системы с твердыми частицами. К дымам следует отнести по этой классификации и пыли – системы с твердыми, но более крупными частицами.

Дымы, в которых частицы дисперсной фазы адсорбировали значи тельное количество влаги из атмосферы, являются одновременно и ды мами и туманами. Такие системы, образующиеся при большом содержа нии влаги в задымленной атмосфере, называют термином «смог» [90, 127, 153, 155, 179, 183, 193, 244, 262, 263, 277, 278, 294].

По дисперсности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами от 10-9…10-5м и на пыли, размер частиц которых больше 10-5м. Туманы состоят из капель размером от 10-7…10-5м. Дис пергированные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых тел или распылении жидкостей, имеют довольно крупные частицы и, как правило, полидисперсны.

1.4.15. Гели Гели относятся к дисперсным системам с пониженной агрегативной устойчивостью. При пониженной агрегативной устойчивости частицы слипаются друг с другом, образуя компактные агрегаты. Достигнув опре деленного размера, эти агрегаты образуют плотный коагулят, имеющий структуру в виде пространственной сетки, в ячейках которой находится дисперсионная среда (рис. 1.4). Этот процесс называют гелеобразованием (желатинированием) или образованием лиогеля, то есть раствор из сво боднодисперсного состояния (золя) переходит в связнодисперсное (гель).

Наличие тонкой жидкостной прослойки между частицами обуслов ливает меньшую прочность структуры, но зато придает ей пластичность.

Чем толще прослойка среды между частицами, тем меньше сказывается действие молекулярных сил, обусловливающих сцепление частиц, тем менее прочна структура и тем жидкообразней система [43, 70, 99, 108, 148, 155, 195, 233].

Образованию геля способствуют следующие факторы:

повышение концентрации дисперсной фазы;

уменьшение размера частиц дисперсной фазы;

несферичность частиц дисперсной фазы (палочкообразные, пла стинчатые);

повышение температуры.

Многие гели подвержены синерезису. Удалением из лиогелей жид кой среды можно получить тонкопористые ксерогели, в которых слабые коагуляционные контакты между частицами превратились в результате сушки в прочные адгезионные или фазовые (когезионные) контакты.

5 4 Рис. 1.4. Строение пространственных структур, образующихся при гелеобразова нии: 1 – частицы дисперсной фазы;

2 – участки поверхности частиц, лишившиеся агрегативной устойчивости;

3 – участки поверхности частиц, сохранившие агре гативную устойчивость;

4 – ячейки структуры, заполненные дисперсной средой;

5 – дисперсная фаза;

6 – дисперсная среда 1.4.16. Растворы высокомолекулярных веществ К высокомолекулярным веществам относятся вещества, состоящие из больших молекул (макромолекул) с молекулярным весом не менее 10000…15000. Нередко молекулярный вес высокомолекулярных соеди нений достигает нескольких миллионов. К высокомолекулярным веще ствам относятся полимеры, получаемые в результате полимеризации или конденсации.

Полимеризация – процесс образования высокомолекулярного веще ства (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомо лекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в рас тущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав по лимера, образует мономерное (структурное) звено. Обычно мономерами являются соединения, содержащие кратные связи, которые способны, раскрываясь, образовывать новые связи с другими молекулами, обеспе чивая рост цепей. Различают гомополимеризацию и сополимеризацию.

Гомополимеризация – полимеризация одинаковых мономеров. Сополиме ризация – полимеризация двух и более разных мономеров [43, 58, 82, 99, 195, 233, 234, 258, 269].

Поликонденсация – процесс синтеза полимеров из полифункцио нальных соединений, сопровождающийся выделением низкомолекуляр ных побочных продуктов (воды, спиртов) при взаимодействии функцио нальных групп.

Растворы высокомолекулярных веществ представляют собой истин ные растворы, термодинамически устойчивые и обратимые, не нуждаю щиеся в стабилизаторе. Частицы, содержащиеся в таких растворах, со стоят не из множества малых молекул, а представляют отдельные моле кулы больших размеров. Основные особенности растворов высокомоле кулярных веществ объясняются большим размером молекул, приближа ющимся, а в некоторых случаях даже превосходящим размер коллоидных частиц.

Макромолекулы могут быть линейными и разветвленными, причем длина молекулярных цепей может быть сравнительно большой — пре вышать 1мкм. Именно линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: эластичность, способность образовывать пленки и нити, набухать, давать при растворении вязкие растворы. Вытя нутая форма молекулярных цепочек обеспечивает возможность компакт ной упаковки. Линейные макромолекулы могут свертываться и образо вывать клубки (глобулы). При свертывании макромолекулы принимают различные конформации. Конформациями называют формы молекул, переходящие друг в друга за счет свободного внутримолекулярного вра щения. Влияние на форму макромолекулы также оказывают соседние макромолекулы, молекулы растворителя и пластификатора.

Растворы высокомолекулярных соединений можно отнести к колло идным системам. Макромолекулы полимеров не связаны друг с другом и ведут себя вполне самостоятельно только в разбавленных растворах. В концентрированных растворах высокомолекулярных веществ обычно возникают достаточно крупные ассоциаты макромолекул, существующие неопределенно долго. Эти ассоциаты также можно рассматривать как дисперсную фазу. Золи и растворы полимеров имеют много общего, в обоих случаях в растворе содержатся частицы сравнительно большого размера (в первом случае – мицеллы, во втором – макромолекулы).

Макромолекулы имеют значительную длину и гибкость, они также могут входить в состав различных ассоциатов, находящихся в растворе.

Это может привести к образованию в системе пространственной сетки и образованию из раствора студня. Студень обычно со временем претерпе вает синерезис, разделяясь на две фазы, – раствор высокомолекулярного вещества в растворителе и раствор растворителя в высокомолекулярном компоненте.

1.4.17. Студни Растворы высокомолекулярных веществ при определенных условиях теряют свою текучесть, то есть переходят в студни. Образование студня может происходить спонтанно (самопроизвольно), в результате измене ния температуры, при концентрировании раствора. Под действием этих факторов вязкость системы возрастает, что приводит к превращению жидкости в студень.

Причина образования студня состоит в возникновении связей между макромолекулами полимера, между которыми в растворе могут образо вываться кратковременные связи, приводящие к возникновению ассоциа тов. Если время существования связей между макромолекулами стано вится большим, то ассоциаты не будут распадаться. Возникшие образо вания будут проявлять в некоторой степени свойства твердой фазы. Та ким образом, образование студня – процесс появления и упрочнения в системе пространственной сетки.

При образовании студня наблюдается упорядочение отдельных участков макромолекул, взаимодействующих друг с другом. Эти участки обычно ориентируются параллельно друг другу, так как такая ориенти ровка способствует уменьшению свободной энергии системы и увеличе нии прочности (рис. 1.5). Существует непрерывный переход от простей ших точечных контактов макромолекул друг с другом к кристаллитам, то есть к областям с упорядоченной кристаллической структурой. В одном и том же студне контакты могут иметь самый различный характер.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.