Лако-красочные материалы — производство

На основании материала, изложенного в предыдущем разделе, можно представить себе, как при сближении двух одноименно за­ряженных коллоидных частиц будет изменяться энергия их взаи­модействия, являющаяся результатом сложения молекулярных ■сил притяжения и электростатических сил отталкивания. Для это­го рассмотрим потенциальные кривые (рис. IX, 6 и IX, 7), харак­теризующие зависимость энергии взаимодействия двух сближаю­щихся частиц (энергия Отталкивания отложена вверх, а энергия лритяжения — вниз от нуля) от расстояния Н между частицами.

На рис. IX, 6 изображена потенциальная кривая для частиц, находящихся в вакууме, газе или жидкости, не содержащей стаби­лизующих ионов и не образующей сольватного слоя. Левая часть кривой показывает, что при малых значениях Н энергия молеку­лярного взаимодействия изменяется обратно пропорционально вто­рой степени расстояния. В правой части кривой при сравнительно •больших значениях Н энергия молекулярного притяжения из-за электромагнитного запаздывания изменяется обратно пропорцио­нально третьей степени расстояния. Расположение всей кривой ниже оси абсцисс свидетельствует о том, что при отсутствии ста­билизующего фактора сблизившиеся частицы неизбежно должны слипнуться. В реальных условиях это отвечает двум частицам аэрозоля или двум полностью стабилизованным частицам лиозоля. Скорость коагуляции таких систем определяется только временем, необходимым для сближения частиц друг с другом в результате броуновского движения.

На рис. IX, 7 изображены кривые, соответствующие сближению — мицелл обычного ионностабилизованного лиозоля, у которого ча­стицы несут двойной электрический слой. Как можно видеть, кар­тина здесь гораздо более сложная. Кривая 1 характеризует изме­нение энергии молекулярного притяжения между частицами, при­чем она сходна с кривой, изображенной на рис. IX, 6. Кривая 2 Характеризует изменение энергии электрического отталкивания между двойными электрическими слоями частиц и поэтому она расположена над осью абсцисс.

Кривая 3 является результирующей потенциальной кривой, по­строенной на основании первых двух путем геометрического сложе­ния их ординат. При больших расстояниях между частицами ре­зультирующая кривая лежит под осью абсцисс (вторичная неглу­бокая потенциальная яма или дальний потенциальный минимум Между частицами наблюдается некоторый перевес сил молекуляр­ного притяжения, обусловленный тем, что эти силы убывают по­степенному закону, а силы электростатического отталкивания — по экспоненциальному. При средних расстояниях, отвечающих тол­щине эффективных ионных оболочек (порядка 100 нм), кривая лежит над осью абсцисс, образуя энергетический барьер. Это зна­чит, что на этом расстоянии превалируют силы электростатиче­ского отталкивания. Наконец, при более близких расстояниях: опять начинают преобладать силы притяжения, и этот участок кри­вой снова лежит под осью абсцисс (первичная потенциальная яма или ближний потенциальный минимум). Для частиц, не обладаю­щих способностью к коалесценции, первичный минимум обуслов­лен компенсацией молекулярных сил притяжения борновскими си­лами отталкивания.

Форма результирующей потенциальной кривой может объяснить — ряд явлений, наблюдающихся при астабилизации и коагуляции коллоидных систем.

Отрицательным минимумом. энергии, отвечающим сравнительно большим^^сст^нТіТмІлежду частицами и представляющим весьма неглубокую потенциальную яму, объясняется явление тиксотропии, т. е. превращение при перемешивании гелей в золи с последующим переходом золей в гели при стоянии системы. Более подробно о тиксотропии будет сказано в гл. X. Другое явление, которое — можно объяснить, исходя из существования минимума в пра­вой части потенциальной кривой, заключается в том, что малые частицы, прилипшие к твердой стенке, способны совершать около этой стенки довольно интенсивное броуновского движение, что можно наблюдать под микроскопом (Бузаг, 1929 г). Этим же ми­нимумом на потенциальной кривой ряд исследователей объясняет способность многих бактерий и частиц вирусов удерживаться друг возле друга и образовывать цепочки, явно не соприкасаясь между собою. Наконец, Лангеланд обнаружил, что в водных дисперсиях каучука (латексах) сохраняются во времени ансамбли мелких ча­стиц, движущихся вокруг крупных, что можно объяснить только силами дальнодействия. Подобным же образом ведут себя микро­объекты и другой природы.

Щоложит^льнци барьер) на кривой,

ОтвёчаюЩйи" средним расстояниям, является причиной того, что при медленной коагуляции не все частицы слипаются друг с дру­гом при сближении. Если энергия, соответствующая высоте энерге­тического барьера, меньше или хотя бы одного порядка со средней кинетической энергией движущихся частиц, то частицы, очевидно, смогут преодолеть электростатические силы отталкивания, сбли­зиться на очень малое расстояние, где превалируют молекулярные силы притяжения, и слипнуться. Если же энергетический барьер высок, частицы не смогут его преодолеть и образовать агрегаты. Понятно, что если каким-либо способом, например, прибавляя электролит в систему, снизить толщину двойного электрического слоя и тем самым уменьшить силы отталкивания настолько, чтобы энергетический барьер исчез полностью, частицы при сближении должны обязательно слипнуться.

ГНаличие глубокой потенциальной ямы на потенциальной кри — /вой слева от положительного максимума объясняет механическую ^прочность коагулята. Частицы на близких расстояниях прочно свя — ‘^’зываются друг с другом в результате действия ван-дер-ваальсовых ■сил, и образовавшиеся агрегаты приобретают некоторые свойства твердого тела. Минимум потенциальной кривой, расположенный в области отрицательных значений энергии взаимодействия, очевид­но, объясняется уравновешиванием силы молекулярного притяже­ния силой отталкивания электронных оболочек (силы Борна) и отвечает физическому контакту обеих частиц. Это наиболее устой­чивое состояние системы, в котором она обладает наименьшей сво — •бодной энергией.

Впрочем некоторые исследователи считают, что на поверхности частиц часто (в основном для лиофильных частиц) существует один или несколько слоев молекул дисперсионной среды, которые никогда не выдавливаются из зазора, образующегося между сталкивающимися частицами Это, согласно их мнению, происходит потому, что энергия десорбции этих молекул больше кинетической энергии движущихся частиц. Наличие прослоек прочно связанной среды толщи­ной порядка 6—10 А мешает частицам сближаться на такое расстояние, на кото­ром энергия молекулярного притяжения становится очень большой Это приво­дит к качественному изменению вида взаимодействия. Согласно классической теории всегда существует очень глубокая ближняя потенциальная яма, при на­личии же прослойки среды ближняя яма очень неглубока или вообще отсут­ствует. В обоих последних случаях коагуляция может происходить лишь за счет наличия дальней потенциальной ямы.

Следует заметить, что на наличие на поверхности коллоидных частиц прочно адсорбированных, не выдавливающихся при коагуляции молекул среды указывал в свое время и П А. Ребиндер.