Пасты, эмульсии. Пены, суспензии (стр. 2 из 3)
Растворимость ПАВ характеризуется числом ГЛБ. Чем оно больше, тем сильнее баланс сдвинут в сторону гидрофильных свойств, тем лучше данное вещество растворяется в воде.
ГЛБ является эмпирической безразмерной величиной:
,где b – безразмерный параметр, зависящий от природы ПАВ;
y - свободная энергия взаимодействия в расчете на одну –СН2– группу:
n - число групп –СН2 – в углеводородном радикале (групповое число);
а – сродство полярной группы молекулы ПАВ к воде. Величина (b + yn) характеризует сродство (свободную энергию взаимодействия) неполярных групп молекул ПАВ к углеводородной жидкости.
Число ГЛБ есть отношение работы адсорбции молекул ПАВ на границе М-В из фазы «масло» (числитель формулы) к работе адсорбции из «водной» фазы (знаменатель формулы). По значению ГЛБ определяют групповое число (число групп –СН2–) в углеводородном радикале молекулы ПАВ, обусловливающее адсорбцию ПАВ на границе М-В.
ПАВ с числом ГЛБ от 8 до 13 лучше растворимы в воде, чем в масле, и образуют эмульсии I рода. ПАВ с числом ГЛБ от 3 до 6 образуют эмульсии II рода.
Для оценки эмульгаторов используют значения гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ). В зависимости от числа гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) можно предположить тип образующейся эмульсии. Величина гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) определяется разностью работ по адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раздела из одной и другой фаз. Значения гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) даны в справочниках.
Пены
Типичные пены представляют собой сравнительно весьма грубые высоко концентрированные дисперсии газа в жидкости. Пузырьки газа имеют размер порядка от несколько миллиметров, а иногда и сантиметров. Благодаря избытку газовой фазы и взаимному сдавливанию пузырьков, они имеют не сферическую, а полиэдрическую форму. Стенки их состоят из весьма тонких пленок жидкой дисперсионной среды (рис. 6.4.1.1). Вследствие этого пены имеют сотообразную структуру, большой размер отдельных пузырьков и тесное расположение их исключают возможность броуновского движения. Кроме того, в результате особой структуры пены обладают некоторой механической прочностью. Пены образуются при диспергировании газа в жидкости в присутствии стабилизатора. Без стабилизатора устойчивые пены не получаются. Прочность и продолжительность существования пены зависит от свойств и содержания пенообразователя, адсорбированного на межфазной границе. Устойчивость пен зависит от следующих основных факторов:
1.
Природы и концентрации пенообразователя.2. Температуры. Чем выше температура, тем ниже устойчивость, т.к. уменьшается вязкость межпузырьковых слоев и происходит десорбция стабилизатора, т.е. увеличивается растворимость поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде.
Формально суспензии от лиозолей (коллоидных растворов) отличаются только размерами частиц дисперсной фазы. Размеры твердых частиц в суспензиях (более 10-5 см.) могут быть на несколько порядков больше, в лиозолях (10-7-10-5 см). Это количественное различие обусловливает чрезвычайно важную особенность суспензий: в большинстве суспензий частички твердой фазы не участвуют в броуновском движении. Поэтому свойства суспензий существенно отличаются от свойств коллоидных растворов; их рассматривают как самостоятельный вид дисперсных систем.
Суспензии классифицируются по нескольким признакам:
1. По природе дисперсионной среды: органосуспензии (дисперсионная среда - органическая жидкость) и водные суспензии.
2. По размерам частиц дисперсной фазы: грубые суспензии (d > 10-2 см), тонкие суспензии (-5×10-5< d < 10-2 см), мути (1×10-5< d < 5×10-5 см).
3. По концентрации частиц дисперсной фазы: разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные суспензии (пасты).
В разбавленных суспензиях частицы свободно перемещаются в жидкости, сцепление между частицами отсутствует и каждая частица кинетически независима. Разбавленные суспензии - это свободнодисперсные бесструктурные системы. В концентрированных суспензиях (пастах) между частицами действуют силы, приводящие к образованию определенной структуры (пространственной сетки). Таким образом, концентрированные суспензии - это связнодисперсные структурированные системы.
Конкретные значения концентрационного интервала, в котором начинается структурообразование, индивидуальны и зависят, в первую очередь от природы фаз, формы частиц; дисперсной фазы, температуры, механических воздействий. Механические свойства разбавленных суспензий определяются, главным образом, свойствами дисперсионной среды, а механические свойства связнодисперсных систем определяются, кроме того, свойствами дисперсной фазы и числом контактов между частицами.
Суспензии, так же как и любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов: со стороны грубодисперсных систем - диспергационными методами, со стороны истинных растворов - конденсационными методами.
Наиболее простым и широко распространенным как в промышленности, и в быту методом получения разбавленных суспензий является взбалтывание соответствующего порошка в подходящей жидкости с использованием различных не перемешивающих устройств (мешалок, миксеров и т. д.). Для получения концентрированных суспензий (паст) соответствующие порошки растирают с небольшим количеством жидкости.
Так как суспензии отличаются от лиозолей только тем, что частицы в них на несколько порядков больше, все методы, которые используются для получения золей, можно применять и для получения суспензий. При этом необходимо, чтобы степень измельчания диспергациониыми методами была меньше, чем при получении лиозолей. При конденсационных методах конденсацию необходимо проводить так, чтобы образовывались частицы, имеющие размеры 10-5 – 10-2 см. Размер образующихся частиц зависит от соотношения скоростей образования зародышей кристаллов и их роста. При небольших степенях пресыщения обычно образуются крупные частицы, при больших - мелкие. Предварительное введение в систему зародышей кристаллизации приводит к образованию практически монодисперсных суспензий. Уменьшение дисперсности может быть достигнуто в результате изотермической перегонки при нагревании, когда мелкие кристаллы растворяются, а за их счет растут крупные.
При этом должны соблюдаться условия, ограничивающие возможности значительного разрастания и сцепления частиц дисперсной фазы. Дисперсность образующихся суспензий можно регулировать также введением ПАВ.
Суспензии очищают от примесей растворенных веществ диализом, электродиализом, фильтрованием, центрифугированием.
Суспензии образуются также в результате коагуляции лиозолей. Следовательно, способы осуществления коагуляции - это одновременно и методы получения суспензий. Отсутствие структуры в разбавленных суспензиях и наличие ее в концентрированных обусловливает резкое различие в свойствах этих систем.
Оптические свойства разбавленных суспензий: длины волн видимой части спектра лежат в пределах от 4×10-5 см (фиолетовый свет) до 7×10-5 см (красный свет). Световая волна, проходя через суспензию, может поглощаться (тогда суспензия окрашена), отражаться от поверхности частиц дисперсной фазы по законам геометрической оптики (тогда суспензия выглядит как мутная) и только в высокодисперсных суспензиях - мутях (5×10-5) может наблюдаться светорассеяние, отклоняющееся от закона Рэлея.
В оптический микроскоп видны частицы, размер которых не менее 5×10-5 см, что соответствует большинству разбавленных суспензий.
Электрокинетические свойства суспензий подобны аналогичным свойствам гидрозолей и обусловлены образованием на поверхности частиц ДЭС и возникновение потенциала.
В суспензиях проявляются все 4 вида электрокинетических явлений. Наиболее широкое применение нашел электрофоретический метод нанесения покрытий на разные поверхности.
Молекулярно-кинетические свойства суспензий отличаются в зависимости от размеров частиц суспензий. Для частиц 10-4 – 10-5 см наблюдается седиментационно-диффузионное равновесие. Описываемое соответствующем уравнением (см. седимент. устойчивость)
Для частиц 10-4 – 10-2 броуновское движение практически отсутствует и для них характерна быстрая седиментация (см. седимент. устойчивость). т.е. для них применим седиментационный анализ.
Седиментационная устойчивость суспензии - это способность её сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.
Так как большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, то они являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами.
Изучение седиментации суспензий связано, в очередь с получением кривых накопления осадка (кривых седиментации) m=f(t). Кривыe накопления мог быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментации зависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивой или нет. Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно, увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точка перегиба. Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляций), то на кривой седиментации перегиб отсутствуёт. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.
В агрегативно устойчивых суспензиях оседаниечастиц происходит медленно и формируется очень плотный осадок. Объясняется это тем, что поверхностные слои препятствуют агрегированию частиц; скользя друг по другу, частицы могут перейти в положение с минимальной потенциальной энергией, т.е. с образованием упаковки, близкой к плотнейшей. В этом случае расстояние между частицами и координационное число (число соседних частиц) в осадке такой седиментирующей, но предельно стабилизированной суспензии, определяется соотношением между: