Лако-красочные материалы — производство

Рассмотренные в предыдущих разделах факторы и закономер­ности устойчивости и коагуляции в дисперсных системах относи­лись, главным образом, к лиозолям. В этом разделе обсужда­ются некоторые особенности коагуляции суспензий и лиозолей, характерные для систем с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Суспензии и лиозоли различаются размерами частиц, вмес­те с тем при одной и той же природе фаз поверхностные свой­ства отдельных частиц практически одинаковы. Различие в размерах частиц существенно сказывается на многих объем­ных свойствах этих систем. Так, рассеяние света (опалесцен — ция), характерное для золей, с увеличением размера частиц постепенно переходит в отражение света. При одинаковых мас­совых концентрациях мутность суспензий значительно больше, чем золей.

•Электрический потенциал и структура двойных электричес­ких слоев (поверхностные свойства) мало зависит от размеров частиц. Однако увеличение удельной поверхности в дисперсной системе приводит к повышению концентрации противоионов двойного слоя, что, в свою очередь, может влиять на многие свойства системы, в том числе и на свойства этого слоя. На­пример, суспензионный эффект возрастает не только с увели­чением концентрации дисперсной фазы, но и с повышением ее дисперсности (при постоянной массовой концентрации дисперс­ной фазы), т. е. с увеличением межфазной поверхности в сус­пензии, в том числе и по высоте столба суспензии при осаж­дении.

Различие в размерах частиц дисперсной фазы отражается на молекулярно-кинетических свойствах дисперсных систем. Частицы суспензий не участвуют в броуновском движении, они не способны к диффузии и, как следствие, в отличие от лиозо­лей суспензии седиментационно неустойчивы, в них практиче­ски отсутствует осмотическое давление, скорость коагуляции не зависит от теплового столкновения частиц (и не можеї сле­довать закономерностям теории кинетики коагуляции Смолу­ховского), а связана в основном со свойствами поверхностных слоев.

Энтропийный фактор агрегативной устойчивости лиозолей обусловлен тепловым движением как самих частиц, так и их поверхностных слоев, что обеспечивает равномерное распреде­ление частиц по объему дисперсионной среды. У суспензий этот фактор действует только благодаря тепловой подвижности поверхностных слоев, которая может предотвращать слипание частиц (коагуляцию), но обычно недостаточна для обеспечения седиментационной устойчивости. Действия других факторов агрегативной устойчивости в суспензиях и лиозолях имеют мно­го общего.

Агрегативно устойчивые и неустойчивые суспензии и лиозо­ли проявляют существенные различия при образовании осад — жов в результате коагуляции. Это прежде всего относится ксе — диментационным объемам (объемы осадков) и структурам осадков. В агрегативно устойчивых системах оседание частиц, 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. В агрегативно неустойчивой системе оседание частнц происхо­дит значительно быстрее вследствие образования агрегатов. Однако выделяющийся осадок занимает гораздо больший объем, так как частицы сохраняют то случайное взаимное рас­положение, в котором они оказались при первом же контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с их силой тяжести или больше ее.

Различие седиментационных объемов агрегативно устойчи­вых и неустойчивых систем наиболее четко проявляется, если частицы имеют средние размеры. Крупные частицы неустойчи­вых систем благодаря значительной силе тяжести образуют бо­лее плотный осадок, а очень мелкие частицы в устойчивых си­стемах и оседают медленно, и осадки (структуры) получаются чрезвычайно подвижными. .

Причиной рыхлости осадков в агрегативно неустойчивых системах является анизометрия образующихся первичных агре­гатов или флокул. Исследования показывают, что наиболее вероятны цепочечные и спиральные первоначальные агрегаты, из которых затем получаются осадки большого седиментацион — ного объема. Осадки получают при осаждении и фильтрации суспензий в различных производствах. Их свойства обычно ре­гулируют путем изменения рН или добавления поверхностно — активных веществ. Увеличение концентрации дисперсной фазы способствует образованию объемной структуры в агрегативно неустойчивых системах. Этот факт широко используется для предотвращения седиментации, в частности при получении пла­стичных материалов и изделий из них.

Ярко выраженной особенностью лиозолей является их обра­тимость — способность к пептизации после коагуляции.’ Пере­ход коагулята в золь зависит, главным образом, от степени лиофильности золя и от времени, прошедшего с момента коагу­ляции. Если коагуляция вызвана снижением действия того или иного фактора устойчивости, то для осуществления пептизации, как обратного процесса, требуется восстановление действия этого фактора. Если коагуляция проходила под действием электролитов, то пептизацию можно вызвать промыванием осадка1 чистым растворителем. Кроме того, можно увеличить заряд на частицах путем изменения рН среды, уменьшить меж­фазное натяжение с помощью ПАВ и т. д. Пептизацня возмож­на только в том случае, если частицы в коагуляте не находят­ся в непосредственном контакте, а между ними имеются про­слойки дисперсионной среды. Необходимо иметь в виду, что с увеличением времени контакта частиц в коагуляте происхо­дит постепенное их срастание, после чего обратимая пептиза­ции невозможна. Срастанию частиц способствует наличие рас­творимой составляющей (вещества частиц в растворенном со­стоянии), обеспечивающей перенос вещества в зону контакта.

Одним из вариантов коагуляции является взаимная коагу­ляция разнородных дисперсных систем — гетерокоагуляция. Если поверхности дисперсных фаз смешиваемых систем имеют заряды противоположного знака, то гетерокоагуляция происхо­дит тем полнее, чем полнее произойдет нейтрализация зарядов частиц. При смешении систем с одноименно заряженными час­тицами, как правило, образуются устойчивые смешанные сис­темы, но возможна и гетерокоагуляция, вызываемая, например, перераспределением стабилизаторов, приводящим к уменьше­нию степени стабилизации.

Гетерокоагуляция широко используется в процессах водо — подготовки и очистки сточных вод. В воду добавляют мине­ральные коагулянты, например соли алюминия, железа, маг­ния, кальция. Эти соли снижают агрегативную устойчивость системы, и частицы загрязняющих веществ выпадают в осадок. Эффективность очистки воды от коллоидных дисперсий опреде­ляется не только снижением электростатического барьера, а главным образом гетерокоагуляцией. Соли алюминия и же­леза в результате гидролиза образуют малорастворимые в воде гидроксиды, частицы которых приобретают положительный за­ряд (взаимодействие с ионами водорода):

АР++ЗН20 А1(ОН)3+ЗН+ Fe*++3Hs>0 Fe(OH)3+3H+

Гидроксиды выделяются преимущественно на частицах при­месей, что также способствует укрупнению частиц.

Гетерокоагуляции аналогичен процесс флокуляции, заклю­чающийся в образовании рыхлых агрегатов (хлогіьев) из час­тиц (не имеющих непосредственного контакта между собой) в результате собирающего действия высокомолекулярных ве­ществ, называемых флокулянтами. Механизм действия флоку — лянтов заключается в их адсорбции на нескольких частицах с образованием полимерных мостиков, связывающих частицы между собой. При неоптимальных количествах флокулянта мо­жет наблюдаться, наоборот, стабилизация дисперсной системы.

Флокулянты подразделяют на природные и синтетические, неорганические и органические, ионогенные, неионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов применяется ак­тивная кремниевая кислота. К природным органическим фло­кулянтам относятся, крахмал, карбоксиметилцеллюлоза и др.

Имеющий относительную молекулярную массу около 10® и хо­рошо растворяющийся в воде. В качестве катионных флокулян — тов используют четвертичные аммониевые соли на основе по­листирола и поливинилтолуола. Флокулянты применяются для осветления растворов, очистки вод от механических примесей. Они ускоряют процессы образования хлопьев и их осаждения, повышают плотность агрегатов и осадков.

К гетерокоагуляции можно отнести и процесс флотации, в котором гидрофобизированные твердые частицы взаимодей­ствуют с капельками масла (масляная флотация) или с пу­зырьками воздуха (пенная флотация) и всплывают на поверх­ность.

Осаждение и прилипание (адгезия) дисперсной фазы на макроповерхностях тел, помещенных в дисперсную систему, на­зывается гетероадагуляцией. Этот процесс имеет большое зна­чение для получения покрытий, пленок, модифицировании по­верхности. Гетероадагуляции способствует наличие противопо­ложных заряддв на поверхностях взаимодействующих тел. Частицы дисперсной фазы могут осаждаться на поверхностях под действием внешнего электрического поля (электрофорез), например, при получении электрофоретических покрытий.