Устойчивость дисперсных систем

Содержание

 

Введение                                                                                                            4

1. Литературный обзор                                                                                6                                                                               

1.1. Свойства и условия стабильности  суспензий                                             7

1.2. Способы определения седиментационной                                                 10                                                      

         Устойчивости  дисперсных систем

1.3. Нефелометрия                                                                                               12

1.4. Типы наполнителей и их  выбор                                                                  13

1.5. Изменение свойств поверхности  наполнителя с                                       15

        помощью адсорбционного  модифицирования ПАВ

1.6. Механизм синергического действия смесей ПАВ                                    18

2. экспериментальная часть                                                                20

2.1. Объекты исследования                                                                                 21

2.2. Исследование седиментационной устойчивости                                       21                                      

        нефелометрическим методом

   2.2.1. Подготовка нефелометра  к работе                                                          21

   2.2.2. Расчет поправочных коэффициентов на

             показатель преломления и рассеивающий  объем                                 22

   2.2.3. Определение поправки  на кювету                                                          23

   2.2.4. Измерение коэффициентов  яркости

             светорассеивающих жидкостей                                                              24

2.3. Исследование седиментационной  устойчивости

        системы наполнитель + растворитель + эпоксидная                                 24

        смола                                                                                                                

2.4. Модифицирование наполнителя  с помощью смеси ПАВ                         26

2.5. Исследование седиментационной  устойчивости

        системы модифицированный наполнитель +                                             26

         растворитель + эпоксидная смола

3. Результаты и их обсуждение                                                            28

3.1. Исследование седиментационной устойчивости                                      28

выводы                                                                                                              30

Список литературы                                                                                    31                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 Закономерности седиментации коллоидных дисперсий во многом определяются характером взаимодействия частиц. Традиционный способ повышения седиментационной устойчивости дисперсии состоит во введении в раствор поверхностно-активных веществ ( ПАВ) или полимеров ( ВМС ), адсорбция которых препятствует их агрегированию, способствует пептизации агрегатов и улучшает распределение частиц в осадках.

Малые добавки  ПАВ дают возможность тонкого регулирования межфазных взаимодействий при помощи адсорбционных слоев. Повышение устойчивости дисперсных систем под влиянием адсорбционных слоев с особенной ясностью проявляются на простых дисперсных системах с жидкой поверхностью раздела. Особый интерес представляет проблема стабилизации суспензий с малополярной углеводородной дисперсионной средой, а так же проблема активности и активации наполнителей. Активными наполнителями могут служить только такие дисперсные системы, которые образуют с наполняемой средой  лиофильную дисперсную систему, в которой значительная часть дисперсионной среды не переводится в состояние сольватных оболочек. Однако, наполнители, не образующие лиофильной системы с неполярной средой, могут быть сделаны активными наполнителями после предварительной активации.

Такая активация сводится к образованию на поверхности частиц наполнителя ориентированного мономолекулярного слоя ПАВ, например, высших жирных кислот. При стабилизации суспензий в углеводородной среде добавками ПАВ особенно сильные действия вызывают те ПАВ, полярные группы которых химически фиксируются на поверхности наполнителя, т.е. в случае хемосорбции ПАВ.

Химическая фиксация значительно укрепляет ориентацию углеводородных цепей, наращивающих на себе в ориентированном состоянии толстые сольватные оболочки. Такое укрепление ориентации содействует уже при весьма малых концентрациях поверхностно-активного стабилизатора приближению свойств адсорбционного слоя к его свойствам в состоянии полного насыщения [1].

Стабилизация суспензий, повышение их седиментационной устойчивости является необходимым в получении неоднородных композиций, антифрикционных и смазочных материалов, наполненных полимеров, красок, лаков и т.д.

В целом ряде случаев дисперсные системы являются важными вспомогательными материалами в производстве пластических масс и резиновых изделий, при обработке металлов и других отраслях промышленности.

Целью настоящего исследования явилось изучение седиментационной устойчивости наполнителя – оксида металла (ZnO) в ацетоновых растворах эпоксидного олигомера .

 

В данной работе необходимо решить следующие задачи :

 

1. Исследовать устойчивость суспензии оксида цинка в растворе эпоксидного олигомера. Модифицировать оксид цинка ионогенным ПАВ и изучить влияние модифицирования наполнителя на устойчивость суспензии;
2. Изучить влияние бинарной смеси (ионогенного и неионогенного ПАВ) модификаторов на седиментационную устойчивость исследуемой системы;
3. Определить оптимальное соотношение ПАВ, обеспечивающее стабильность суспензий оксида цинка в ацетоновом растворе эпоксидного олигомера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литературный обзор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Свойства и условия стабильности суспензий

 

 

Суспензиями называют жидкие формы, представляющие собой микрогетерогенные системы, в которых дисперсная фаза представлена твердыми нерастворимыми веществами, а дисперсионной средой является растворитель. Помимо воды, в качестве дисперсионной среды могут быть использованы спирт, ацетон, глицерин, минеральные и растительные масла и другие жидкости. Размер частиц в суспензиях варьируется в широких пределах: в тонких – 0,1-1 мкм, в более грубодисперсных – более 1 мкм. Наиболее грубодисперсные системы называют взвесями [2].

Суспензии должны  обладать достаточной устойчивостью в течение продолжительного количества времени. Для достижения устойчивости суспензий необходимо стремиться к максимальному уменьшению размера частиц. Это основной фактор устойчивости, т.к. он влечет за собой и уменьшение массы частиц, а, следовательно, и уменьшение скорости их оседания. Установлено, что при размерах частиц в пределах от 1 до 10 мкм их оседание (седиментация) может длится не только десяти минут, но даже часы и сутки [2].

Седиментационная устойчивость суспензий обычно очень мала вследствие крупных размеров частиц. В суспензиях твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии непродолжительное время, оседая под действием силы тяжести и гравитационного поля.

Агрегативная устойчивость суспензий является результатом действия сил различной природы, препятствующих слипанию частиц:

1)  отталкивания, обусловленного  наличием двойного электрического  слоя;

2)  «энтропийного» отталкивания, проявляющегося, когда частицы сближаются  друг с другом на такие расстояния, при которых адсорбированные на них молекулы ПАВ начинают задевать друг друга углеводородными цепями, находящимися в состоянии микроброуновского движения;

3)  отталкивания, обусловленного  наличием сольватных оболочек. Этот  вид отталкивания возникает между  частицами, если на их поверхности  адсорбируются молекулы растворителя, образуя сольватный слой толщиной в один – два молекулярных диаметра. Образующиеся сольватированные суспензии агрегативно устойчивы без специальных методов стабилизации [3].

Стабилизирующим фактором является и вязкость дисперсионной среды, поскольку по мере ее повышения уменьшается скорость оседания частиц.

Устойчивость суспензий находится также в прямой зависимости от того, являются ли нерастворимые вещества легко смачиваемыми водой (гидрофильными)  или трудно смачиваемыми (гидрофобными). Гидрофильные, хорошо смачиваемые водой порошки (например, оксид магния, карбонат магния, карбонат кальция, оксид цинка и т.п.), взмученные в воде, дают достаточно агрегативно устойчивые суспензии, т.к. на них образуются упругие водные оболочки, препятствующие слипанию частиц. Гидрофобные частицы, плохо смачиваемые водой, не в состоянии сами по себе образовать стабилизирующую водную оболочку, а потому легко, самопроизвольно (под действием молекулярных сил) слипаются, образуя в последующей стадии агрегаты – хлопья, которые быстро оседают. Если при коагуляции суспензий образующиеся хлопья плохо смачиваются водой, то они будут всплывать на поверхность воды. Такое явление получило название флоккуляции (от лат.flocculi- хлопья). Плохое смачивание поверхности твердой фазы содействует прилипанию пузырьков воздуха, поэтому флоккуляция усиливается при взбалтывании суспензии [4].

Имеется, однако, возможность изменить отношение лиофобной частицы к воде и повысить агрегативную устойчивость таких суспензий. Путей стабилизации несколько. В водной дисперсионной среде, а также в полярных органических жидкостях (например, в спирте) частички суспензии могут быть стабилизированы электролитами, создающими в пограничном слое ζ (дзета) - потенциал определенного знака и величины. Возникновение ζ – потенциала в суспензиях объясняется так же, как и заряжение ядра мицеллы в лиофобном золе (адсорбция ионов из раствора и диссоциации или гидролиз поверхностного слоя твердой фазы). Следует иметь в виду, что электролиты, добавленные к суспензиям, стабилизируют последние лишь при определенных концентрациях. При превышении концентрации стабилизирующее действие электролита переходит в коагулирующее [5].

Наиболее сильно проявляют защитное действие в суспензиях высокомолекулярные соединения (ВМС). Растворы ВМС не только сами обладают большой устойчивостью, но передают это свойство гидрофобным частицам. Стабилизирующее действие добавок ВМС на суспензии заключается в образовании защитных гидратных слоев на поверхности частиц суспензии, а также в охвате этих частиц длинными цепочкообразными макромолекулами.

В результате такого взаимодействия частицы суспензии связываются в цепеобразные агрегаты в виде структурных сеток, благодаря чему они лишаются возможности сближаться друг с другом. Для стабилизации суспензии ВМС должны добавляться в оптимальных количествах. При превышении предела стабилизирующее действие ВМС переходит в свою качественную противоположность – происходит типичный процесс застудневания.

При недостаточной добавке ВМС может возникнуть обратное явление – астабилизация, т.к. частиц ВМС не хватит на то, чтобы покрыть и защитить всю поверхность взвешенных частиц. Таким образом, зная условия, определяющие устойчивость суспензии, и имея представление о разных состояниях частиц, можно управлять стойкостью суспензий [2].

 

 

1.2. Способы определения седиментационной

устойчивости дисперсных систем

 

 

  Метод определения агрегативной устойчивости дает возможность судить о степени агрегативной устойчивости суспензий. Метод является сравнительным, но наглядным. Используя его, можно сравнить действие различных стабилизаторов, выбрать их оптимальную концентрацию [9].

Стабилизирующее действие ПАВ по отношению к дисперсным системам  характеризуется : количеством дисперсии, которую может застабилизировать данное количество ПАВ ; концентрационными пределами, в которых ПАВ является стабилизатором; устойчивостью полученной дисперсии и кривой распределения частиц по размерам [5].

 Все эти характеристики дает метод дисперсионного анализа. Дисперсионный анализ в химии, совокупность методов определения дисперсности, т.е. характеристики размеров частиц в дисперсионных системах. Дисперсионный анализ включает различные способы определения размеров свободных частиц  в жидких и газовых средах. Одни из методов дисперсионного анализа позволяют получать полную картину распределения частиц по размерам, а другие дают лишь усредненную характеристику дисперсности.

К первой группе относятся , например , методы определения размеров частиц непосредственным измерением (ситовой анализ , оптическая и электронная микроскопия ) или по косвенным данным : скорости оседания частиц в вязкой среде ( седиментационный анализ в гравитационном поле и в центрифугах ), величине импульсов электрического тока , возникающих при прохождении частиц через отверстие в непроводящей перегородке (кондуктометрический метод ) или др. показателям .