Лако-красочные материалы — производство

Диспергирование и конденсация — методы получения свободно — дисперсных систем: порошков, суспензий, золей, в том числе аэрозолей, эмульсий и т. д. Под диспергированием понимают дробление и измельчение вещества, под конденсацией — образо­вание гетерогенной дисперсной системы из гомогенной в ре­зультате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты.

В мировом производстве различных веществ и материалов процессы диспергирования и конденсации занимают одно из ведущих мест. Миллиарды тонн сырья и продуктов получают в свободнодисперсном состоянии. Это обусловлено особенностя­ми вещества в дисперсном состоянии, которые обеспечивают удобство расфасовки, транспортирования, дозировки, способст­вуют увеличению скоростей химических реакций и процессов растворения, выщелачивания, сорбции, экстракции и других процессов, дают возможность получать однородные материалы при составлении смесей и материалы с более высокими проч­
ностными свойствами, с большой удельной поверхностью (ка­тализаторы, сорбенты).

В качестве примеров можно привести дробление и измель­чение руд, добычу и транспортирование каменного угля, произ­водство цемента, минеральных солей и удобрений, которые вы­пускаются в порошкообразном состоянии. Диспергирование происходит в форсунках при сжигании жидкого топлива, при подготовке шихты, в массообменных аппаратах. Конденсация происходит при образовании тумана в производстве серной и фосфорной кислот, в ректификационных аппаратах, при кри­сталлизации, упаривании растворов. За последние годы резко возрос выпуск эмульсионных, аэрозольных и пастообразных продуктов: смазок, кремов, паст, парфюмерных средств, лекар­ственных препаратов, средств защиты растений и т. д.

Необходимо отметить, что при диспергировании и конденса­ции образование дисперсных систем (порошкообразование, во — локнообразование, пленкообразование) сопровождается возник­новением новой поверхности, т. е. увеличением удельной пло­щади поверхности веществ и материалов иногда в тысячи и более раз. Поэтому получение дисперсных систем, за некото­рым исключением (например, самопроизвольное диспергирова­ние, которое рассматривается в разделе, посвященном устойчи­вости дисперсных систем), требует затраты энергии.

Рассмотрим диспергирование веществ в конденсированном состоянии. Чтобы разрушить твердое тело или жидкость и по­лучить новую поверхность, необходимо преодолеть когезионные силы, или силы, обусловливающие целостность определенного объема твердого тела или жидкости. При диспергировании под действием внешних сил конденсированное вещество сначала претерпевает объемное деформирование (упругое и пластичес­кое) и только после этого при определенном механическом уси­лии оно разрушается. Таким образом, работу, необходимую для диспергирования, можно разделить на две составляющие, одна из которых расходуется на объемное деформирование тела, другая — на образование новых поверхностей.

Работа упругого и пластического деформирования пропор­циональна объему тела:

1Гдеф=£К (11.200)

Где k — коэффициент пропорциональности, равный работе объемного дефор­мирования единицы объема конденсированного тела; V — объем тела.

Работа образования новой поверхности при диспергирова­нии пропорциональна приращению поверхности:

Wa = oAs (11.201)

Где а — энергия образования единицы поверхности, или поверхностное натя­жение; As — приращение поверхности, или площадь образовавшейся поверх­ности.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выра­жается уравнением Ребиндера:

Г=Гд£.ф + W« = KV+OAs (II. 202 >

Так как работа объемного деформирования пропорциональ­на объему тела, a V~d3 (d — линейный размер тела), и изме­нение поверхности пропорционально его начальной поверхности, s~d2, то

+ = + (11.203)

Где k и ki — коэффициенты пропорциональности.

Из соотношения (11.203) следует, что при больших разме­рах тела (при больших значениях D) можно пренебречь рабо­той образования поверхности, тогда

W ~ М3 (11.204)

Т. е. полная работа диспергирования определяется, главным об­разом, работой упругого и пластического деформирования.

Соотношение (11.204) можно использовать для вычисления работы дробления как первого этапа диспергирования до срав­нительно крупных кусков материала.

При малых значениях а, когда можно пренебречь работой объемного деформирования, уравнение (II.203) переходит в со­отношение

W^K2Od‘2 (11.205)

Чем мельче диспергируемый материал, тем лучше должно выполняться соотношение (11.205). Таким образом, это соотно­шение можно использовать для определения работы измель­чения — второго этапа диспергирования. На этом этапе, как следует из соотношения (11.205), полная работа диспергирова­ния определяется, главным образом, работой образования но­вой поверхности, т. е. работой по преодолению когезионных сил.

При дроблении и измельчении материалы разрушаются в первую очередь в места, прочностных дефектов (макро — и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц возрастает, что обычно используют для создания более проч­ных материалов. В то же время увеличение прочности материа­лов по мере их измельчения ведет к большему расходу энергии на дальнейшее их диспергирование.

Разрушение материалов может быть облегчено при исполь­зовании эффекта Ребиндера — адсорбционного понижения проч­ности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных ве­ществ, в результате чего облегчается деформирование и раз-( рушение твердого тела. В качестве таких поверхностно-актив­ных веществ, называемых в данном случае понизителями твер­дости, могут быть использованы, например, жидкие металлы для разрушения твердых металлов, органические вещества для уменьшения прочности органических монокристаллов.

Для понизителей твердости характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера, и специфичность действия. Добавки, смачивающие материал, помогают проникнуть среде в места дефектов и с помощью капиллярных сил также облег­чают разрушение твердого тела. Поверхностно-активные веще­ства не только способствуют разрушению материала, но и ста­билизируют дисперсное состояние, так как, покрывая поверх­ность частиц, они тем самым препятствуют обратному слипанию их или слиянию (для жидкостей). Это также способствует до­стижению высокодисперсного состояния.

Для получения дисперсных систем методом диспергирова­ния широко используют механические аппараты: дробилки, мельницы, жернова, ступки, краскотерки, вальцы, встряхивате — ли. Жидкости распыляются и разбрызгиваются с помощью форсунок, центрифуг, волчков, вращающихся дисков. Диспер­гирование газов осуществляют, главным образом, с помощью барботирования их через жидкость. Часто для диспергирования жидкостей, полимеров, легкоплавких металлов, графита и дру­гих материалов используют ультразвуковой метод. Он основан на превращении электрической энергии с помощью пьезоэлект­рического осциллятора в ультразвуковые колебания (от 20 тыс. до 1 млн. колебаний в 1 с), вызывающие повышение давления в среде до сотен мегапаскалей (МПа), под действием которого происходит разрушение материала.

Несмотря на широкое применение диспергационных мето­дов, они не могут быть использованы для получения дисперс­ных систем максимальной дисперсности—1—100 нм. Такие системы могут быть получены только с помощью конденсаци­онных методов.