Элементы физикохимической механики
TRANSCRIPT
Основы физико-химической механики
задача физико-химической механики состоит в получении материалов с заданными свойствами и научном обосновании оптимальных технологических решений
Физико-химическая механика
• раздел современной коллоидной химии, изучающий зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений на поверхностях раздела фаз
Структурно-механические (реологические) свойства дисперсных систем
• вязкость• пластичность• упругость• прочность
Классификация дисперсных систем по наличию взаимодействия между частицами
свободнодисперсные• бесструктурные системы, в
которых частицы дисперсной фазы почти не связаны друг с другом и способны независимо перемещаться под влиянием теплового движения или силы тяжести– аэрозоли– лиозоли– разбавленные суспензии и
эмульсии
связнодисперсные• обладают определенной
структурой; частицы связаны между собой, не способны к взаимному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения– гели– порошки– концентрированные
суспензии (пасты) и эмульсии, порошки.
Структура
• пространственный каркас, образованный связями атомов, ионов, молекул, мицелл, кристаллитов и частиц коллоидных размеров
Виды структурв связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)
1. КОАГУЛЯЦИОННАЯ• образована
межмолекулярным ван-дер-ваальсовым сцеплением беспорядочно расположенных коллоидных частиц через тонкие прослойки дисперсионной среды
коагуляционные контакты
Золь – гель переходпроцесс превращения коллоидного раствора в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или под влиянием иных внешних воздействий (охлаждение, изменение pH, ионной силы раствора)
Гель –твердообразная коагуляционная структура
1 – частицы дисперсной фазы (ДФ)
2 – точечные контакты частиц ДФ
3 – участки поверхности, сохранившие агрегативную устойчивость
4 – петли структуры, заполненные дисперсионной средой (ДС)
Коагуляционная = тиксотропно-обратимая
• Тиксотропия - способность коагуляционной структуры уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (cгущаться) в состоянии покоя
• грунты-плывуны• бетонная смесь• тиксотропные краски
Реологические свойства коагуляционных структур
• невысокая прочность• ползучесть (способность к медленному
развитию значительных остаточных деформаций)
• структурная вязкость• пластичность в пастах
Виды структурв связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)
2. КОНДЕНСАЦИОННО-КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ
• возникает либо в результате образования прочных химических связей между частицами, либо вследствие сращивания кристалликов, возникающих в процессе кристаллизации новой фазы
фазовый контакт
Реологические свойства кристаллизационных структур
• высокая прочность• хрупкость• необратимое разрушение при
механическом воздействии• отсутствие пластичности• отсутствие тиксотропии
Пример 1. Твердение гипса
Пример 2. Твердение бетона
• бетонная смесь: цемент + заполнитель (песок, гравий, щебень) + вода
1. Зерна цемента (алюминаты и силикаты кальция) растворяются– образуется пересыщенный раствор, из которого
выделяются менее растворимые кристаллогидраты
2. Кристаллы срастаются и переплетаются, связывая песок, гравий и щебень в монолит
Влияние поверхностных эффектов на механические свойства
1. Эффект Иоффе (1923 г.)
– пластичность и прочность каменной соли (NaCl) в воде ПОВЫШАЮТСЯ
– объяснение:• удаление поверхностных микротрещин за счет
растворения поверхности образца (Иоффе)
• «между наблюдением исключительной прочности кристалла каменной соли и получением такой же прочности технических материалов - громадный путь...»
Влияние поверхностных эффектов на механические свойства
2. Эффект Ребиндера (1928 г.)
– деформирование и разрушение твердых тел при контакте со средой, содержащей ПАВ, ОБЛЕГЧАЮТСЯ
– объяснение:• понижение свободной поверхностной энергии
твердого тела при адсорбции ПАВ
Формулировка П.А. Ребиндера
• «эффект адсорбционного понижения прочности твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, вследствие обратимой адсорбции на его поверхности частиц из окружающей среды»
Внешний (а) и внутренний (б) эффекты Ребиндера
Эффект Ребиндера в полимерах: crazing