Лако-красочные материалы — производство

Аэрозоли, равно как и другие коллоидные системы, можно по­лучать с помощью методов конденсации и диспергирования.

Методы конденсации. В основе всех конденсационных методов образования аэрозолей лежит конденсация пересыщенных паров. Пересыщение паров может быть достигнуто либо за счет охлаж­дения системы, либо при образовании пара в результате химиче­ской реакции.

Охлаждение, пересыщение и конденсация паров может проис­ходить различными путями, например при адиабатном расширении газа, содержащего пары какой-либо жидкости. Именно так обра­зуются обычные кучевые облака, когда теплые массы влажного воздуха поднимаются в более высокие слои атмосферы. Перистые облака, возникающие на больших высотах, также являются ре­зультатом конденсации водяных «паров, однако в этом случае при конденсации в верхних слоях атмосферы вследствие низкой тем­пературы образуются не жидкие капельки, а твердые кристаллики льда. Таким образом, перистые облака следует отнести к системам с твердой дисперсной фазой.

Охлаждение, пересыщение и конденсация паров может также происходить при их соприкосновении с холодной поверхностью или при смешении с холодным воздухом. Так образуются в природе туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоде ночью, при сильном охлаждении поверхности земли в результате тепло­вого излучения. Влажный воздух вторгается в зону с более низкой температурой или соприкасается с охладившейся землей, вслед­ствие чего в нем и образуются капельки тумана.

Химические реакции, при которых возможно образование аэро­золей, могут иметь самый различный характер. Так, в результате окисления при сгорании топлива образуются дымовые газы, содер­жащие продукты с весьма малым давлением пара. Смешиваясь с более холодным воздухом, эти продукты конденсируются и об­разуют топочный дым. Дымы получаются также при сгорании фос­фора на воздухе (возникают частицы Р2О5), при взаимодействии газообразного аммиака и хлористого водорода (образуются ча­стицы NH4CI), в результате фотохимических реакций, например при освещении влажного хлора (возникает туман хлористоводо­родной кислоты), и т. д. Окисление металлов на воздухе, проис­ходящее при различных металлургических и химических процес­сах, очень часто сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц окислов металла, например окиси цинка, окиси магния и т. д. Стойкие туманы могут давать в смеси с воздухом такие ве­щества, как SO3 и НС1. Наконец, дым образуется при соприкосно­вении с влажным воздухом хлорида алюминия. Последний дымит на воздухе потому, что между А1С13 и водяным паром происходит химическая реакция с образованием высокодисперсных частиц А1(ОН)3.

При получении аэрозолей путем конденсации из пересыщенного пара должна возникнуть новая фаза. Выделение новой фазы прн образовании аэрозоля, равно как н при образовании любой другой системы, связано с большими энергетическими препятствиями. Это можно понять, если учесть огромную удельную поверхность, ко­торая соответствует началу возникновения гетерогенной системы, когда ее дисперсность чрезвычайно высока. Поэтому при образо­вании аэрозолей, как и лиозолей, либо должно быть очень большое пересыщение, либо в системе должны присутствовать или возни­кать в результате какого-нибудь особого явления зародыши или ядра конденсации, вокруг которых может уже отлагаться веще­ство дисперсной фазы. Такими зародышами в атмосфере могут служить мельчайшие кристаллики соли, ультрамикроскопические пылинки и другие образования.

Рассмотрим сначала механизм образования новой фазы в отсутствие посто­ронних зародышей, пользуясь представлениями, развитыми Фольмером. Для простоты возьмем случай, когда образуется дисперсная система с жидкой дис­персной фазой. Если только система не близка к критическому состоянию, воз­никновение новой (жидкой) фазы без сильного пересыщения невозможно. При­чина этого заключается в том, что первоначально образующиеся мельчайшие капельки, необходимые для получения тумана со сравнительно большими ча­стицами, обладают очень малым радиусом кривизны, вследствие чего давление пара у поверхности таких капелек весьма велико и они легко испаряются. Это становится более понятным из следующих рассуждений.

Как известно, давление пара рг на поверхности капелек с радиусом г может быть выражено с помощью уравнения В. Томсона

(XI, 13)

Где Ps — давление пара над плоской поверхностью жидкости; VMo л— мольный объем жидкости.

, Согласно уравнению (XI, 13) капелька жидкости, находящаяся в атмосфере пара с давлением ра, обладает более высоким давлением рг, чем давление пара над плоской поверхностью, и потому она начнет испаряться. Причем оиа испа­ряется так, что с уменьшением ее радиуса испарение ускоряется, поскольку разность между рт и р3 непрерывно возрастает. Очевидно, "капельки могут на­ходиться в равновесии только с пересыщенными (по отношению к плоской по­верхности) парами, причем любой степени пересыщения должны отвечать ка­пельки определенного размера. Однако для того, чтобы в пересыщенном паре возникли такие равновесные капельки, они должны вырасти из более мелких, неустойчивых капелек. Равновесные капельки могут возникать лишь в результате флуктуации их размера Этот процесс может идти сравнительно легко при боль­ших пересыщениях.

Из сказанного следует, что в отсутствие посторонних зародышей образова­ние новой фазы может быть только флуктуационным процессом и число спон­танно возникающих зародышей, так же как и скорость образования новой ■фазы /о, пропорциональны числу флуктуаций. Вероятность флуктуаций пропор­циональна ехр(—AF/KT) (где AF—изменение свободной энергии системы при данной флуктуации). Величина AF равна работе А, нужной для изотермического и обратимого образования зародыша. Таким образом:

/0 = кехр(— A/KT)

Приведенное уравнение показывает, что скорость образования новой фазы в отсутствие чужеродных зародышей определяется в основном работой, необходи­мой для спонтанного образования скопления молекул пара с давлением, равным Давлению пара пересыщенной системы.

Правильность теории Фольмера подтверждена экспериментально рядом ис­следователей. В частности, такая проверка проводилась путем адиабатического расширения воздуха насыщенного парами данной жидкости, в камере Вильсона. В результате расширения в камере происходит охлаждение, а следовательно, и пересыщение паров до вполне определенного значения. Применяя камеру Виль­сона, можно визуально устанавливать начало конденсации, т. е. пересыщение, отвечающее образованию тумана. Чтобы исключить возможность образования капелек на чужеродных зародышах, система должна быть предварительно очи­щена путем многократной конденсации, при которой посторонние ядра конден­сации удаляются из газовой фазы. При этом критическое пересыщение, отвечаю­щее началу образования новой фазы, непрерывно возрастает до определенного предела.

Расчеты, основанные на полученных таким образом данных, показывают, что относительные пересыщения, отвечающие заметному спонтанному образованию зародышей, очень велики и достигают 200—300% и выше. Столь большие сте­пени пересыщения наблюдаются далеко не всегда.

Таким образом, следует прийти к заключению, что образование капелек про­исходит, как правило, в результате наличия в газовой фазе чужеродных актив­ных центров, понижающих работу А. Такими центрами могут быть либо ионы, либо нейтральные жидкие и твердые частицы, присутствующие в системе.

Значение ионов при образовании новой фазы в газовой среде легко дока­зать с помощью камеры Вильсона. Для этого камеру следует заполнить возду­хом и паром’исследуемой жидкости, пересыщение которого недостаточно для образования тумана в неионизированном газе, и вызвать в камере ионизацию газа, например, путем облучения частицами высоких энергий (продуктами рас­пада радиоактивных элементов, космическими лучами). В таких условиях в ка­мере можно наблюдать дорожки из тумана, соответствующие пути частиц. При — чиной образования таких дорожек является образование ионов в результате столкновения частиц высоких энергий с молекулами газа и конденсация на этих ионах паров.

Основные положения теории образования новой фазы иа ионах, находя­щихся в парах, следующие. При столкновении с капелькой жидкости, являю­щейся проводником, ионы как бы равномерно распределяются по поверхности капельки. В результате этого на поверхности капельки возникают силы, стре­мящиеся увеличить ее поверхность, и, следовательно, действующие против по­верхностного натяжения. Это приводит к снижению поверхностного натяжения, а следовательно, и работы,,необходимой для образования зародыша. Значение поверхностного натяжения заряженной капельки можно найти по уравнению:

Где Оо — поверхностное натяжение незаряженной капельки; г и Q — радиус и Заряд капельки.

Давление насыщенного пара над заряженной капелькой можно найти из уравнения В. Томсона, подставив в него значение а:

(XI, 16)

График этого уравнения, выражающего связь между давлением пара заря­женной капельки и ее радиусом, изображен на рис. XI, 3. В отсутствие ионов в системе иевозможио образование капельки без флуктуаций размера (давление вкружающег® пара всегда ниже давления пара над незаряженной капелькой). В присутствии ионов при некотором давлении пара для образования капелек флунтуации не нужны. В самом деле, заряженная капелька имеет равновесное Давление пара всегда меньшее, чем давление пара окружающей среды. Таким образом, капельки будут легко возникать в результате конденсации. Подобный вывод находится в полном согласии с наблюдениями, которце были сделаны с тюмвщью камеры Вильсона.

Прн некотором давлении ра < ркакс (этот случай изображен на рис. XI, 3) в системе, в которой присутствуют ионы, самопроизвольно образуются капельки радиусом га. Даже при р = Ps, т. е. в отсутствие пересыщения, образуются ка­пельки весьма малым радиусом г0 При этом характер кривой 1 на рис. XI, 3 показывает, что капельки с радиусом, отвечающим уравнению (XI, 16), обра­зуются в результате конденсации без флуктуаций, поскольку любая заряженная капелька с меньшим радиусом имеет меньшее давление пара, чем давление окру­жающего пара, и должна расти в результате конденсации до тех пор, пока дав­ление ее пара не станет равным давленню окружающего пара. Очевидно, в результате этого в системе возникнет столько капелек, сколько в ней имелось ионов.

Однако возникшие в таких условиях мельчайшие заряженные капельки не способны служить зародышами для образования сравнительно больших капелек тумана, так как они не могут беспре­пятственно расти дальше. Действи­тельно, нз кривой 1 рис. XI, 3 видно, что при увеличении радиуса от га до гк капельки должны были бы посте­пенно расти в таких условиях, когда давление ‘их пара выше давления пара окружающей среды, что, конеч­но, невозможно. Поэтому образова­ние капелек радиусом гк может осу­ществляться только в результате флуктуаций. Понятно, что когда зна­чение гк уже достигнуто, дальнейший рост капелек может идти уже беспре­пятственно и каждая такая капелька будет’ являться теперь настоящим за­родышем новой фазы [27].

Несмотря на возможность опи­санного выше механизма образования новой фазы в парах на ионах, этот механизм, вероятно, не имеет суще­ственного значения при возникнове­нии атмосферных аэрозолей. Дело в том, что в атмосфере всегда присут­ствуют ядра конденсации, обеспечивающие конденсацию при сравнительно малых пересыщениях. Такими ядрами могут служить мельчайшие кристаллики соли, •содержащиеся в атмосфере над морями и океанами, ультрамикроскопические пылинки и другие образования. Теория конденсации на ядрах еще мало разрабо­тана, так как структура и свойства ядер весьма сложны и разнообразны. Отме­тим лишь, что скорость возникновения зародышей должна быть пропорциональна численной концентрации ядер.

Методы диспергирования. К методам получения аэрозолей пу­тем диспергирования относятся измельчение и истирание твердых тел, распыление жидкостей, а также получение аэрозолей в резуль­тате взрыва. Как правило, методами диспергирования получаются гораздо более низкодисперсные и более полидисперсные аэрозоли, чем методами конденсации.

Распылением жидкости путем продавливания через специаль­ные пульверизаторы и форсунки пользуются для равномерного нанесения красок и лаков на окрашиваемые поверхности, для
распыления жидкого топлива и других целей. Интересно, что если при таком распылении струю жидкости зарядить до электриче­ского потенциала в несколько тысяч вольт, то распыление жидко­сти идет гораздо легче.

В природе аэрозоли, содержащие капельки жидкой дисперсной фазы, получаются путем диспергирования в результате падения больших масс воды в водопадах.