Понятие об агрегативной устойчивости дисперсных систем. Вяжущие вещества как дисперсная система

     Агрегативная  устойчивость - это способность частиц дисперсной фазы при столкновении друг с другом или границей раздела  фаз сохранять свой первоначальный размер. В этой связи следует различать  два процесса: коалесценцию и флокуляцию.

     Агрегативная  устойчивость глобул обеспечивается отрицательно заряженной гидратированной белковой оболочкой.

     Агрегативная  устойчивость паст при этом достаточно высока, а кинетическая - выше в спиртовых  растворах.

     Агрегативная  устойчивость коллоидно-дисперсных систем повышается, если на поверхности коллоидных частиц за счет свободной поверхностной  энергии будут адсорбироваться  молекулы (ионы) третьего компонента системы - стабилизатора. Так, если в пробирку с водой ввести небольшое количество растительного масла, при встряхивании образуется эмульсия, Которая быстро расслаивается снова на два слоя - масло и воду. Неустойчивость эмульсии объясняется самопроизвольным уменьшением  суммарной поверхности за счет слипания мелких капелек масла в более крупные. Однако если ввести в эту смесь небольшое количество 2 % - ного раствора мыла и хорошо встряхнуть, образуется стойкая эмульсия белого цвета. Мыло в данном случае играет роль стабилизатора.

     Агрегативная  устойчивость концентрированных эмульсий может быть обусловлена различными причинами в зависимости от природы  эмульгатора.

     Агрегативная  устойчивость гетерогенных дисперсных систем связана с размерами частиц дисперсной фазы: чем они больше, тем больше и агрегативная устойчивость системы. Чем выше агрегативная устойчивость, тем медленнее и тем равномернее откладываются частицы дисперсной фазы на поверхности углерода [5]. 
 

     Агрегативная  устойчивость лиофобных дисперсных систем 

     Дисперсные  системы также делят на:

      - лиофильные, обладающие термодинамической устойчивостью;

      - лиофобные, которые термодинамически неустойчивы к агрегации, но могут быть устойчивы кинетически, т.е. обладать значительным временем жизни.

     Термодинамическая устойчивость лиофильных систем означает, что они равновесны, обратимы и образуются самопроизвольно, как из макрофаз, так и из истинных растворов. Поскольку образуются гетерогенные системы, то поверхностная энергия должна быть скомпенсирована энтропийной составляющей, т.е. частицы дисперсной системы должны участвовать в молекулярно-кинетическом (тепловом) движении. Отсюда следует, что лиофильные системы могут быть только ультромикрогетерогенными, а поверхностное натяжение на границе «частица – среда» должно быть очень малым.

     Расчеты показывают, что межфазное поверхностное  натяжение в лиофильных дисперсных системах в зависимости от размеров частиц может иметь значение от 1,4×10-7 до 1,4×10-3 Дж/м2. Типичными представителями лиофильных дисперсных систем являются растворы коллоидных поверхностно активных веществ (ПАВ) и растворы полимеров [2].

     Лиофобные системы термодинамически неустойчивы, т.к. частицы дисперсной фазы склонны к агрегации. Их агрегативная термодинамическая неустойчивость обусловлена избытком поверхностной энергии.

     Для их образования должна быть затрачена  внешняя энергия. Укрупнение частиц дисперсной фазы при потере агрегативной устойчивости достигается двумя  путями:

     1. Изотермическая перегонка, т.е.  растворение мелких и рост  крупных частиц в соответствии  с уравнением Кельвина;

     2. За счет слипания частиц, т.е. коагуляцией. В зависимости от природы среды и концентрации дисперсной фазы эти процессы могут заканчиваться или осаждением, или структурообразованием. При нарушении агрегативной устойчивости происходит коагуляция.

     Лиофильные и лиофобные дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой различаются в зависимости от того, насколько близки или различны по своим свойствам дисперсная фаза и дисперсионная среда. В лиофильных дисперсных системах межмолекулярные взаимодействия по обе стороны разделяющей фазы поверхности различаются незначительно, поэтому удельная свободная поверхностная энергия (для жидкости - поверхностное натяжение) чрезвычайно мала (обычно сотые доли мДж/м2), межфазная граница (поверхностный слой) размыта и по толщине нередко соизмерима с размером частиц дисперсной фазы. Лиофильные дисперсные системы термодинамически равновесны, они всегда высокодисперсны, образуются самопроизвольно и при сохранении условий их возникновения могут существовать сколь угодно долго.

     Типичные  лиофильные дисперсные системы - микроэмульсии, некоторые полимер-полимерные смеси, мицеллярные системы ПАВ, дисперсные системы с жидкокристаллическими дисперсными фазами. К лиофильным дисперсным системам часто относят также набухающие и самопроизвольно диспергирующиеся в водной среде минералы группы монтмориллонита, например: бентонитовые глины. [3]

     Под агрегативной устойчивостью лиофобной системы понимают её способность противостоять процессам, приводящим к изменению размеров частиц дисперсной фазы в результате их слияния (коалесценция), переноса вещества между ними (изотермическая перегонка) или объединения в более или менее рыхлые агрегаты (коагуляция). Устойчивость системы характеризуется временем ее жизни в практически неизменном состоянии. В зависимости от соотношения скоростей трех основных процессов - коагуляции, коалесценции, изотермической перегонки - разрушение системы может приводить к возникновению новых различных по строению и свойствам систем, в том числе к получению материалов с ценными механическими свойствами. Устойчивость лиофобных дисперсных систем может иметь как термодинамическую, так и кинетическую природу.

     Особенности устойчивости и разрушения конкретных дисперсных систем (механизм разрушения и относительная роль различных  факторов стабилизации) связаны, прежде всего, с фазовым состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды.

     А. Дисперсные системы с газовой  дисперсионной средой - аэрозоли - принципиально  лиофобны и не могут быть стабилизированы эффективным образом. Их устойчивость носит кинетический характер.

     Б. Пены - дисперсии газа в жидкой дисперсионной  среде - также относятся к типичным лиофобным системам. Однако их устойчивость по своей природе коренным образом отличается от устойчивости аэрозолей. Все перечисленные факторы устойчивости могут играть здесь существенную роль, причем соотношение между ними зависит от строения пены, от преобладающего механизма разрушения, от возраста и т.д.

     В. Эмульсии - системы, состоящие из двух жидких фаз. Их устойчивость и механизм разрушения в значительной мере определяются концентрацией дисперсной фазы в  системе. Разбавленные эмульсии могут  быть агрегативно устойчивы за счет образования на поверхности капелек двойных электрических слоев. Концентрированные эмульсии обладают заметной устойчивостью лишь при наличии толстой структурированной адсорбционной оболочки предельно сольватированной со стороны дисперсионной среды; такая оболочка механически препятствует слиянию капель. Высококонцентрированные эмульсии - структурированные дисперсные системы с ярко выраженными твердообразными свойствами.

     Г. Суспензии и золи - системы с  твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой - также могут  быть сравнительно устойчивы агрегативно при малых концентрациях за счет перекрытия диффузных частей двойных электрических слоев. Вместе с тем, агрегативная устойчивость высокодисперсных разбавленных золей может иметь и термодинамическую природу, если энергия взаимодействия коллоидных частиц при коагуляции соизмерима с энергией их теплового движения [6]. 
 

     Вяжущие вещества как дисперсные системы 

     Многие  строительные материалы можно рассматривать  как дисперсные системы, т. е. такие  системы, которые содержат две (или  более) фазы, равномерно распределенные друг в друге.

     В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные (>0,1 мкм), коллоидно-дисперсные (0,1—0,001 мкм) и молекулярно-дисперсные (<0,001 мкм) системы.

     К первым можно отнести разнообразные  порошкообразные материалы —  вяжущие вещества, наполнители и  др., ко вторым — цементное и известковое  тесто, некоторые пигменты и др., а к третьим — растворы солей.

     В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии — твердом или жидком — распределено вещество в жидкой дисперсионной среде, дисперсную систему  называют соответственно суспензией или  эмульсией. Если дисперсная среда —  газ, системы называют аэрозолями [7]. 

     Эмульсиями  называют дисперсные системы, состоящие  из двух не смешивающихся между собой  жидкостей, из которых одна находится  в другой в мелкораздробленном (диспергированном) состоянии. В подобных системах различают дисперсионную среду и дисперсную фазу, которая распределена в первой. Эмульсия — дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии — структурированные системы.

     Эмульсиями  называются грубодисперсные системы, состоящие из несмешиваемых жидкостей.

     Основные  типы эмульсий:

       - Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»).

      - Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

     Изменение состава эмульсий или внешнее  воздействие могут привести к  превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот.

     Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. К ним относятся т. н. критические эмульсии, образующиеся вблизи критической температуры смешения двух жидких фаз, а также некоторые смазочно-охлаждающие жидкости.

     Лиофобные эмульсии возникают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании (диспергировании), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов — веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слипанию). Эффективные эмульгаторы — мицеллообразующие ПАВ, растворимые высокомолекулярные вещества, некоторые высокодисперсные твёрдые тела [8].

     В виде эмульсий получают смазочно-охлаждающие  жидкости, битумные материалы, пропиточные  композиции, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. 

     Битумные  и дегтевые эмульсии — это дисперсные системы, в которых вода является средой, а диспергированный битум или деготь — фазой. Образование и устойчивость эмульсии достигается путем введения в нее специальных эмульгаторов — поверхностноактивных веществ или тонкодисперсных твердых порошков, которые, с одной стороны, понижают поверхностное натяжение между битумом и водой и этим способствуют более мелкому раздроблению, а с другой — сообщают частицам определенный заряд, препятствующий слиянию частиц. В качестве органических эмульгаторов для получения битумных эмульсий применяв олеиновую кислоту, концентраты ССБ и асидол.

     Эмульсии  применяют для устройства защитного гидроизоляционного и пароизоляционного покрытия, грунтовки основания под гидроизоляцию, приклейки штучных и рулонных материалов, а также гидрофобизации поверхностей изделий. Кроме того, эмульсию добавляют к воде затворения при изготовлении бетонов; этим достигается их объемная гидрофобизация [9]. 

     Битумные  пасты приготовляют из битума, воды и эмульгатора. В качестве эмульгатора используют неорганические тонкодисперсные минеральные порошки, содержащие активные коллоидные частицы размером менее 0,005 мм, добавляемые в воду при производстве паст. В качестве эмульгатора используют известь, глины, трепел молотый. Наиболее водоустойчивые пасты получают при применении известковых эмульгаторов.

     Битумные  эмульсии применяют для грунтовки  оснований под гидроизоляцию, для  окрасочной и пропиточной гидроизоляции, для создания пароизоляционных покрытии, гидрофибизации поверхностей и изделий, а также для приготовления битумно-латексных композиций и холодных битумных эмульсионных мастик, применяемых при создании безрулонных кровель и для наклеивания битумных рулонных материалов, а также в качестве вяжущего для приготовления холодных асфальтовых и полимербитумных мастик [7].

     Мастики. По виду исходного вяжущего различают мастики битумные, битумно-полимерные, битумно-эмульсионные, резинобитумные, полимерные, дегтевые и дегтеполимерные.

     Мастики по назначению бывают приклеивающие — для приклеивания рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов и для устройства защитного слоя кровель. Кроме того, мастики производят для устройства мастичных слоев гидро- и изоляции, а также для изоляции подземных стальных трубопроводов и других сооружений с целью защиты их от коррозии [9].