Лако-красочные материалы — производство

Коллоидные системы с твердой дисперсионной средой, или, как их часто называют, твердые золи, несмотря на огромное практиче­ское значение, до сих пор привлекали в коллоидной химии срав­нительно мало внимания. Причиной этого являются их необычные по сравнению с остальными коллоидными системами свойства. Понятно, что для систем с твердой дисперсионной средой бессмыс­ленно говорить о таких важных для других коллоидных систем особенностях, как молекулярно-кинетические свойства и агрега­тивная устойчивость. Рассмотрим некоторые из этих систем и их специфичные свойства.

Коллоидные и микрогетерогенные системы с твердой диспер­сионной средой, так же как и лиозоли, можно разделить на си­стемы с газовой, жидкой и твердой дисперсной фазой.

Системы с твердой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твердыми пенами. Твердые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырь­ков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам. Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая губчато-ноздреватая очень лег­кая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строитель­ном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твер­дых пен можно указать пеностекла и пенобетоны,-широко приме­няемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовлен­ные на основе полимеров (микропористая резина, различные пено — пласты).

Системы с твердой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой — Ж/Т, которые по аналогии можно считать твердыми эмульсиями, встречаются довольно редко. Примером таких систем может служить так называемый черный фосфор, получающийся путем диспергирования металлической ртути в расплавленном фосфоре.

Наибольшее значение имеют системы Т/Т с твердой диспер­сионной средой и твердой дисперсной фазой. К этому классу кол­лоидных и микрогетерогенных систем относятся некоторые окра­шенные драгоценные и полудрагоценные камни, цветные стекла, эмали, многие минералы, горные породы, некоторые сплавы.

О том, что драгоценные и полудрагоценные камни являются, как правило, глиноземом или кварцем с диспергированными в них окислами различных металлов, мы уже говорили в начале курса. Цветные стекла представляют собой обычные силикатные стекла, содержащие ничтожные примеси коллоидно диспергированного вещества, придающего стеклу окраску. Например^ рубиновое стекло, которое получал еще М. В. Ломоносов, содержит в виде дисперсной фазы высокодиспергированное золото. Содержание зо­лота в рубиновом стекле колеблется от 0,01% (розовое стекло) до 0,1% (ярко-красное стекло), а размер частиц составляет 4—30 нм, редко превышая 150 нм. Менее дорогие стекла с той же рубиновой окраской могут быть получены диспергированием (вместо золота) таких металлов, как серебро, селен, медь. Стекла других цветов можно получить при сплавлении стекла с другими веществами.

Эмали, стеклообразные непрозрачные вещества, наносят в рас­плавленное состоянии на металлические или керамические поверх­ности, чтобы придать им красивый вид или большую устойчивость к действию химических факторов. Они представляют собой также силикатные стекла, в которых содержатся частицы пигментов, при­дающие эмалям непрозрачность и окраску. В качестве таких пиг­ментов могут использоваться окислы и соли, например ЭЮг, ТіОг, фосфат кальция.

Весьма близки к цветным силикатным стеклам стекла, полу­чаемые сплавлением окислов металлов с бурой. Как известно, та­кие стекла («перлы») имеют большое значение в аналитической химии, поскольку их цвет может указывать на химическую при­роду сплавленного с бурой вещества.

Очень интересным представителем рассматриваемых коллоидных систем яв­ляется встречающаяся, в природе голубая каменная соль. Причиной голубой окраски каменной соли является присутствие в кристаллах хлорида натрия ни­чтожного количества (0,0001%) коллоидно диспергированного металлического натрия. Зидентопф еще в 1905 г. получил голубую каменную соль искусственно, нагревая кристаллы хлорида натрия в парах натрия. Сначала соль приобретала желтую окраску, соответствующую высокой степени дисперсности частиц натрия. Однако при дальнейших последовательных нагреваниях и охлаждениях проис­ходила постепенная агрегация частиц натрия и окраска кристаллов становилась голубош Опыты, проведенные позднее, показали, что искусственная голубая соль может быть получена и при действии на кристаллы хлорида натрия рентгенов­ских лучей и радиоактивного излучения.

Наличие в голубой каменной соли частиц металлического’ натрия подтвер­ждается тем, что растворение такой соли в воде сопровождается заметным вы­делением водорода, освобождающегося из разлагаемой натрием воды. Образова­ние металлического натрия в каменной соли в природных условиях объясняется тем, что ионы натрия могут восстанавливаться до металла за счет присоедине­ния электронов под действием (5-лучей. Источником радиоактивного излучения в горных породах может служить радиоактивный изотоп калия 40К, всегда при­сутствующий в небольших количествах в природной каменной соли. Вычисления показывают, что содержащегося в каменной соли калия 40К вполне достаточно, чтобы вызвать появление голубой окраски в течение геологических периодов.

Весьма важными представителями систем типа Т/Т являются горные породы. Коллоидная или микрогетерогенная структура многих вулканических пород объясняется тем, что различные ком­поненты магмы при ее застывании выделяются в внде кристалли­ков и образуют таким образом дисперсную фазу. Осадочные по­роды имеют коллоидную структуру вследствие того, что образуются при оседании в континентальных или морских водах мельчайших частиц кремнезема, глинистых минералов, гумусовых веществ, гид­роокиси железа, панцырей диатомовых водорослей. Следует заме­тить, что в свою очередь горные породы являются материалом, из которого в результате выветривания и размывания в природе об­разуются аэрозоли и лиозоли [29].

Наконец, весьма важными системами Т/Т являются гетероген­ные сплавы, к которым принадлежит большинство технических металлов. В зависимости от условий получения сплав может иметь строение, соответствующее молекулярному раствору, коллоидной системе и грубой дисперсной системе. Например, в стали мы встре­чаемся со всеми переходами от истинного раствора (аустенит) через коллоидные растворы (мартенсит) вплоть до микрогетеро­генных систем (перлит). В чугуне дисперсной фазой являются ча­стицы углерода, размеры которых близки к коллоидным.

Из типичных коллоидных свойств у систем с твердой диспер­сионной средой, пожалуй, лучше всего выражена способность к светорассеянию. Как было указано еще в начале курса, термин «опалесценция» произошел от минерала опала, обладающего весь­ма сильно выраженной способностью рассеивать свет. Интересно, что рубиновое стекло послужило Зидентопфу и Зигмонди объек­том для первых ультрамикроскопических наблюдений. Понятно, что светорассеяние у систем с твердой дисперсионной средой можно наблюдать только тогда, когда дисперсионная среда про­зрачна.

Выше указывалось, что обычная коагуляция в системах с твер­дой дисперсионной средой невозможна из-за огромной вязкости среды, препятствующей столкновению частиц между собой. Од­нако все же некоторое укрупнение частиц в таких системах воз­можно за счет изотермической перегонки вещества дисперсной фазы. Такое укрупнение частиц наблюдается, например, при дли­тельном нагревании рубинового стекла при температуре, когда давление пара металла уже достаточно высоко. При очень высо­ких температурах, когда происходит плавление дисперсионной среды, в подобных системах может наблюдаться и истинная коа­гуляция. При этом, если среда прозрачна, меняется и цвет си­стемы. Например, при высокой температуре красный цвет рубино­вого стекла переходит в фиолетовый, а затем ^ синий вследствие агрегации частиц. Интересно, что двуокись олова, присутствующая в стекле, оказывает защитное действие и препятствует образова­нию агрегатов.

Коллоидные и микрогетерогенные системы с твердой диспер­сионной средой обычно образуются методом конденсации из рас­плава. При охлаждении расплава, представляющего собой гомо­генную систему, выделяется дисперсная фаза, которая и остается распределенной в виде частиц того или иного размера в затвердев­шей системе. Таким образом получаются горные породы с кол­лоидной или микрогетерогенной структурой при застывании магмы. Пенопласты в промышленности получают несколько иным спосо­бом. В полимер вводят порообразователь, который при нагревании или каком-нибудь ином воздействии выделяет газ. Последний мо­жет оставаться в полимере в виде мельчайших замкнутых пузырь­ков или образовывать в нем извилистые незамкнутые поры.

При получении коллоидных и микрогетерогенных систем с твердой дисперсионной средой методом диспергирования в рас­плавленной среде диспергируется газ, жидкость или. твердое ве­щество. Такой расплав, обладающий еще свойствами жидкости, называется пирозолем. При охлаждении пирозоля он затвердевает и образует коллоидную илй микрогетерогенную систему с твердой дисперсионной средой. Как мы видели на примере рубинового стекла, устойчивость пирозоля, а следовательно, и дисперсность си­стемы с твердой средой можно повысить введением соответствую­щего стабилизатора.