Уравнение ребиндера для работы диспергирования (8 видео)

Эффект Ребиндера и его роль в диспергировании

В 1928 г-дин П. А. Ребиндер высказал предположение о том, что в основе понижения механических свойств твердых тел под влиянием поверхностно-активных веществ (ПАВ) лежит снижение свободной поверхностной энергии и, как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых поверхностей. Разрушение можно рассматривать как процесс образования новых поверхностей, следовательно, адсорбция ПАВ облегчает разрушение. Прочность твердого тела тем меньше, чем меньше поверхностная энергия. Поверхностную энергию можно уменьшить с помощью ПАВ. Существует выражение, устанавливающее связь прочности и поверхностной энергии для тела, имеющего дефект в виде микротрещины.

Рассмотрим твердое тело – пластину (рис. 7.3) единичной толщины, к которой приложено растягивающее напряжение . В соответствии с законом Гука, упругая деформация тела приводит к накоплению в нем упругой энергии с плотностью, равной

(7.6)

где — модуль Юнга. Пусть в теле возникает сплошная трещина длинной . При этом в части объема происходит уменьшение упругой деформации и соответственно уменьшение плотности упругой энергии. Можно приближенно считать, что подобная релаксация напряжений происходит в области размером порядка (рис. 7.3), т. е. уменьшение запасенной в теле упругой энергии пропорционально квадрату размера трещины:

(7.7)

Рис. 7.3. Пластина единичной толщины под воздействием растягивающего напряжения .

При механическом диспергировании протекает обратный процесс — рекомбинация частиц, интенсивность которого увеличивается при увеличение степени дисперстности. Максимальный размер частиц, который можно получить механическим измельчением — . Рекомбинацию частиц можно подавить, применяя инертный разбавитель. Так получают коллоидную серу дроблением ромбической серы с добавлением сахара как инертного разбавителя. К образующейся смеси коллоидной серы с сахаром добавляют воду и разделяют смесь с помощью диализа.

Увеличение поверхностной энергии пропорционально поверхностному натяжению и удвоенной длине трещин, так как трещина имеет два берега.

(7.8)

Вместе с тем рост трещины сопровождается увеличением поверхностной энергии вследствие образования новой поверхности раздела фаз с площадью, пропорциональной удвоенной длине трещины. Общее изменение энергии при образовании трещин равно сумме изменений упругой и поверхностной энергий:

(7.9)

Графически зависимость изменения энергии от длины трещины изображается кривой с максимумом (рис. 7.5) .

Рис. 7.5. Зависимость изменения энергии от длинны трещины.

В точке максимума значение первой производной функции равно , т. е.

(7.10)

Этому максимуму свободной энергии отвечает критический размер трещины, равный:

(7.11)

Трещины с размером, большим критического, неустойчивы и самопроизвольно увеличивают свои размеры, что приводит к образованию макроскопической трещины и разрушению тела. Трещины с размером, меньшим критического, должны стремиться уменьшить свои размеры (залечиваться).

Выражение (7.11) можно также представить в виде

(7.12)

Согласно этому соотношению, полученному впервые Гриффитсом и названному его именем, реальная прочность твердого тела, имеющего трещину с размером l, пропорциональна корню квадратному из величины поверхностной энергии и обратно пропорциональна корню квадратному из длины трещины. «Теоретическая» прочность идеального тела равна

(7.13)

где – размер молекул. Уравнение Гриффитса может быть также представлено в виде

(7.14)

Таким образом, отношение реальной и идеальной прочности твердого тела определяется соотношением между размером молекул b и размером дефекта.

Таким образом, анализ взаимосвязи механических свойств и поверхностной энергии показывает, что, изменяя величину поверхностной энергии, можно влиять на прочность материалов. Развитие микротрещин под действием внешних сил может быть облегчено адсорбцией различных веществ на поверхности тела из среды, в которой проводят диспергирование.

Адсорбироваться могут ионы электролитов, молекулы поверхностно-активных веществ, жидкие металлы (например, ртуть). На поверхности образуется двухмерный газ. Адсорбированные ионы или молекулы проникают в щели и стремятся раздвинуть микротрещины. Происходит также экранирование сил сцепления, действующих между поверхностями микротрещин. Адсорбированное понижение прочности получило название эффекта Ребиндера. Вещества, повышающие эффективность диспергирования, называются понизителями твердости. Этот эффект имеет большое практическое значение не только в процессах собственно диспергирования, но и в процессах бурения твердых пород, при тонкой обработке металлов.

Понизители твердости могут быть введены в диспергирующее устройство в виде паров, жидкости. Этот способ широко применяется при получении высокодисперсного цемента.

К эффективным методам относятся механическое дисперигирование, основанное на применении вибрационных методов (воздействие колебаний достаточно высокой частоты и малой амплитуды) и осуществляемое в вибраторах вибромельницах. К этой же группе относится и диспергирование в звуковых и ультразвуковых полях.

Таким путем получают органозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидрозоли серы, различных полимеров.

Дата добавления: 2020-11-18 ; просмотров: 113 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Коллоидная химия. Лекция 1. Физико-химия поверхностных явленийСкачать

Методы диспергирования. Уравнение Ребиндера для работы измельчения.

1) механическое диспергирование -основано на механических способах преодоления межмолекулярных сил, за счет производства внешней работы происходит накопление внешней энергии. ΔF>0. Диспергирование- измельчение тв или жидких тел в инертной среде. Диспергирование может идти в результате процессов: раздавливания, истирания, дробления. Для этого используются шаровые мельницы, коллоидные мельницы тд. При сухом помоле размер частим около 60мкм; при мокром- размер частиц сильно уменьшается и можно получить ультрадисперсные системы.

Уравнение Ребиндера: Wдисп=Wдеформ+Wповерх=KV+σΔS

Адсорбционное понижение прочности(эффект Ребиндера). Прочность как поверхностное свойство материалов.

Связь прочности и поверхностной энергии: в основе понижения механических свойств твердых тел под влиянием ПАВ лежит снижение поверхностной свободной энергии, и , как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых поверхностей. Соотношение Гриффитса Р₀

(σЕ/l) 1/2 Е-модуль Юнга, l-размер трещины Рид

(σЕ/в) 1/2 в- размер молекулы. отношение реальной и идеальной прочности тела определяемое отношением между в и l . Ребиндер показал, что развитие

микротрещин под действием внешних сил может быть обеспечено адсорбцией

разлива веществ на поверхности тела и среды в которой проходит дисперсия.

Адсорбироваться могут ионы электролитов, молекулы ПАВ и жидкие Ме.

Адсорбционное понижение прочности получило название эффекта Ребиндера.

Конденсационное образование лиофобных дисперсных систем. Термодинамические основы гомогенного зародышеобразования. Уравнение для работы образования критического зародыша.

Конденсационное образование лиофобных дисперсных систем- образование устойчивой свободной дисперсной системы в результате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты. При этом в гомогенной сдере образовывается новая фаза. Размер образующихся частиц зависит от соотношения между скоростями идущих процессов(образования зародышей и роста зародышей) d=f(Vроста зародышей/Vобразования зародышей). Под зародышем новой фазы понимают минимальное скопление новой фазы находящейся в равновесии с окружающей средой. Размер критических зародышей: r_кр=2σV»m/|Δμ|=2σV»m/RTlnP/P₀? Δμ=μ_ст-μ_н— степень метастабильности в системе.

Работа гомогенного зародышеобразования: r_кр>размера зародышей, то химический потенциал в нем выше химического потенциала в старой фазе -зародыш растворяется, r_кр

Видео:Матвеенко В. Н. - Коллоидная химия - Поверхностное натяжениеСкачать

Диспергирование. Механические методы диспергирования

Диспергирование заключается в измельчении твердых или жидких тел, образующих затем дисперсную фазу в инертной дисперсионной среде. Как правило, диспергирование происходит с затратой внешней работы, расходуемой на разрыв связей при разрушении вещества и образование новой поверхности. Диспергирование — весьма энергоемкий процеее.

При механическом измельчении твердых тел обычно образуются порошки (или суспензии при дроблении в жидкой дисперсионной среде) с размерами частиц не меньше нескольких микрометров. Этот предел обусловлен тем, что при механическом измельчении происходит также и слипание частиц. Если измельчение вещества проводится в сухой дисперсионной среде, то обычно невозможно получить частицы размером меньше 60 мкм. При мокром помоле в присутствии стабилизаторов могут быть получены дисперсии с несколько меньшими размерами частиц.

Изучая механизм диспергирования твердых тел, советский физикохи- мик П. А. Ребиндер обнаружил эффект адсорбционного понижения прочности, также известный как эффект Ребиндера. Это открытие положило начало новой области знания — физико-химической механике.

Под действием внешних деформирующих сил на поверхности твердого тела образуется микротрещина. Развитие микротрещин происходит значительно легче в присутствии поверхностно-активных веществ (понизителей твердости), которые при адсорбции стремятся раздвинуть стенки трещины, облегчая диспергирование (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Эффект Ребиндера. Схема образования микрощелей

При этом давление на стенки может достигать десятков атмосфер. При адсорбции поверхностно-активных веществ снижается удельная поверхностная энергия, уменьшается работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, усиливается деформация, которая в свою очередь еще больше расклинивает трещины. Известный пример эффекта адсорбционного понижения твердости — хрупкое разрушение цинковой пластинки в месте контакта со ртутью (в этом примере ртуть служит понизителем твердости). Приведенный эффект проявляется не только на металлических, но и на полимерных материалах. Вещества, понижающие твердость, применяют при обработке металлов и изделий из высокотвердых материалов, бурении горных пород и т.д.

Основными видами механического воздействия, оказывающими разрушающее действие, являются удар, растирание и раздавливание. На них основано действие механизмов, используемых для получения дисперсных систем с твердой дисперсной фазой.

Для механического диспергирования веществ в производственных и лабораторных условиях применяются мельницы разнообразных конструкций с закрепленными или свободными мелющими телами. Недостатками механических мельниц являются малая производительность, истирание частей, приводящее к загрязнению продукта, сильный шум, производимый при работе.

При производстве цемента, каолина, пигментов, красок, бумаги широко применяются механизмы с закрепленными мелющими телами (валками, роликами, ножами, молотками). Хорошо известны мельницы с жерновами, где происходит истирание между вращающимися и неподвижным кругами. В ножевых мельницах частицы подвергаются ударному и рубящему воздействию ножей и статора, в дезинтеграторах частицы измельчаются при многократных ударах о пальцы ротора. Диспергирование в валковой мельнице заключается в раздавливании частиц между двумя вращающимися валками.

Свободными мелющими телами могут быть шары или стержни из металла, фарфора, камня, других твердых материалов либо крупные куски измельчаемого материала.

Барабанная шаровая мельница представляет собой медленно вращающийся металлический цилиндр, который частично заполнен тяжелыми металлическими или фарфоровыми шарами. При вращении шары дробят попадающие между ними частицы дисперсной фазы (рис. 2.3). Такие мельницы применяются при производстве фосфоритной муки и цемента.

Рис. 2.3. Схема шаровой мельницы (а); барабанная шаровая мельница (б)

В центробежно-шаровых мельницах за счет быстрого вращения шары движутся с ускорением, ударяясь о стенку и разбивая измельчаемый материал при ударах. В вибрационных шаровых мельницах шары приводятся в движение при вибрации корпуса.

Еще более тонкий помол можно получить, используя для диспергирования твердого вещества коллоидные мельницы. Имеются различные конструкции таких мельниц, действующих по принципу удара и трения. Вещество измельчается до размера в несколько микрометров при многократном прохождении через тонкий зазор между выступами на статоре и роторе (рис. 2.4). Первая лабораторная коллоидная мельница была сконструирована П. П. Веймарном, а мельница промышленного типа — Г. Плаузоном в 1920 г.

Рис. 2.4. Схема коллоидной мельницы (а); коллоидная мельница, используемая при производстве битума (б) 1

Коллоидные мельницы обеспечивают возможность получения частиц размером не менее 10 6 м. Диспергирование в коллоидных мельницах проводится в жидкой дисперсионной среде в присутствии стабилизаторов.

Для механического диспергирования твердых тел применяются мельницы разнообразных конструкций со свободными или закрепленными мелющими телами. Основными видами механического воздействия являются удар, растирание и раздавливание.

Диспергирование твердых тел

К системам с жидкой (Ж) дисперсионной средой относятся лиозоль, представляющий собой диспергированное твердое тело, рассредоточенное в объеме жидкости—Т/Ж (коллоидные растворы металлов, например, золота и серебра, взвеси, суспензии и т. п.)

Суспензии получают диспергированием твердых тел в жидкостях, смешиванием порошков с жидкостями, укрупнением коллоидных частиц в результате коагуляции или конденсационного роста.

Механизм диспергирования твердых тел сравнительно мало исследован. Под влиянием лебаний в системе возникают местные, быстро тия- и расширения вещества, приводящие к обр ших полостей — кавитаций, сейчас же исчезаю внешнего давления. Эти сжатия, расширения н [c.251]

Струйный генератор используют для различных целей. Очевидно, он просто может работать как обыкновенный источник непрерывного течения жидкости или как смеситель. Основное его применение — в качестве аппарата для эмульгирования, так как в малом объеме у края вибрирующей пластины концентрируется большая акустическая энергия и возникает кавитация. Согласно уравнению (25), такая большая плотность энергии обусловливает малый размер образующихся капель эмульсии. Поэтому звуковые генераторы оказываются весьма эффективными. Например, в гомогенизаторах для получения частиц размером 1 мкм при производительности 5000 л/ч требуется мощность 40—50 л. с., а в струйных генераторах при этих же условиях достаточно 5—7 л. с. В гомогенизаторах давление 500 — 2000 ат, а в струйных генераторах — 75—100 ат. Конструкция аппаратов довольно простая. Единственный элемент, который требует повышенного внимания, — это вибрирующая пластина. При работе в жестких условиях она должна быть заменена уже через несколько месяцев. Наконец, следует указать, что струйные генераторы легко могут быть перестроены на диспергирование твердых тел.

При диспергировании твердых тел с минимальной влажностью образующаяся система представляет собой порошкообразный материал. В результате изучения механизма диспергирования твердых тел было установлено, что при деформации твердого тела на его поверхности образуются микротрещины. Работы А. Ф. Иоффе его школы показали, что именно образование микротрещин и особенно поверхностных микротрещин служит главной причиной резко пониженной прочности твердых тел по сравнению с теоретически возможной прочностью, вычисленной на основании данных об их строении.

Методы диспергирования. Наиболее широко применяетсямеханическое диспергирование, при котором крупные частицы суспензий, эмульсий или порошков раздавливают, дробят или растирают. Диспергирование твердых тел в жидкой среде всегда более эффективно, чем сухое дробление, так как жидкости, смачивающие твердое тело, способствуют снижению его прочности при механической обработке. Введение в жидкость поверхностно-активных веществ или электролитов еще в большей степени способствует диспергированию (эффект Ребиндера). В лабораторных и промышленных условиях механическое диспергирование проводят на мельницах или дробилках различных типов. Для более тонкого измельчения применяют специальные коллоидные мельницы.

Дисперсная система, образованная мельчайшими частицами твердого тела в воздухе или другом газе, называется аэрозолем. Им, в частности, является дым, образующийся при сжигании сырого дерева и многих синтетических полимерных органических материалов. Диспергирование твердого тела в л 0. Изменение внутренней энергии, связанное с сольватацией, А С/а отрицательно А11г