Лако-красочные материалы — производство

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы мо­гут свободно перемещаться по всему объему дисперсионной среды. Это общее свойство позволяет оценивать некоторые про­исходящие в таких системах явления с единой позиции. Для всех свободнодисперсных разбавленных систем, в которых дви­жение частиц не осложнено их агрегацией, характерны общие закономерности седиментации, а также электрокинетических и молекулярно-кинетических свойств. Некоторые различия, не столько качественные, сколько количественные, имеют системы с жидкой и газообразной дисперсионными средами. Они в ос­новном обусловлены меньшими значениями вязкости и плотно­сти газа по сравнению с жидкостью (для газа вязкость меньше в?»50 раз, а плотность в «100 и более раз) и более сильным взаимодействием жидкости с дисперсной фазой (сольватация). Увеличение дисперсности и концентрации дисперсной фазы мо­жет приводить к существенным различиям в некоторых свойст­вах систем, что дает основание для их классификации по этим признакам. Свободнодисперсные системы делят на аэрозоли, порошки, лиозоли, суспензии, эмульсии и пены.

Аэрозоли — дисперсные системы с газообразной дисперсион­ной средой и взвешенными твердыми или жидкими частицами. По методам получения они подразделяются на диспергацион — ные, образующиеся при измельчении и распылении веществ, н на конденсационные, получаемые конденсацией из пересыщен­ных паров и в результате реакций, протекающих в газовой фа­зе. По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы — системы с жидкой дисперсной фазой, размер частнц 10—0,1 мкм, пыли — системы с твердыми частицами размером больше 10 мкм и дымы, размеры твердых частиц которых находятся в пределах 10—0,001 мкм. Туманы имеют частицы правильной сферической формы (результат са­мопроизвольного уменьшения поверхности жидкости), а пыли и дымы содержат твердые частнцы самой разнообразной фор­мы. К типичным аэрозолям относятся: водяной туман (размер частиц 0,5 мкм), топочный дым (0,1—100 мкм), дождевые обла­ка (10—100 мкм), дым из ZnO (0,05 мкм), сернокислотный туман (1—10 мкм), дым из Р2О5 (1 мкм). Частицы высокодис­персных аэрозолей участвуют в тепловом движении газообраз­ной дисперсионной среды.

Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Однако частицы в них могут быть бо­лее крупными и достигать в диаметре до 1—2 мм. В зависи­мости от размеров частиц для порошков приняты разные назва­ния. Например, в почвоведении используют названия песок (диаметр частиц 0,2—0,002 см), пыль (20—2 мкм). Более мел­кие порошки иногда называют пудрой. Размер частиц промыш­ленных порошков определяется их целевым назначением и часто является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в цементных порошках сильно влияет на механическую проч­ность изделия. Качество муки повышается с увеличением сте­пени помола. Многие важнейшие свойства композиционных материалов зависят от дисперсности наполнителей.

По форме частицы в порошках подразделяют на равноос­ные, имеющие приблизительно одинаковые размеры по трем осям, волокнистые, длина которых значительно больше других размеров, и плоские, длина и ширина которых значительно больше толщины.

Частицы порошка всегда находятся в контакте. Хотя общая поверхность контакта частиц в порошках очень мала, эта осо­бенность определяет важнейшие технологические характеристи­ки порошков, например, текучесть. Текучесть определяют по скорости вытекания порошка через калиброванное отверстие диаметром 1,5—4,0 мм. Текучесть порошка зависит от плотно­сти, размера и формы частиц, состояния их поверхности, влаж­ности и других свойств. Повышение дисперсности приводит к уменьшению текучести вследствие роста общей поверхности контакта. Увеличение влажности также снижает текучесть по­рошков.

Суспензии — это системы с твердой дисперсной фазой и жид­кой дисперсионной средой. Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками; эти системы подобны по дисперсности. Если по­рошок поместить в жидкость и перемешать, то получится сус­пензия, а при высушивании суспензии она снова превращается В порошок. Концентрированные суспензии называют пастами, пульпами, шламами, шликерами. В химической промышлен­ности с суспензиями имеют дело при осаждении солей, их рас­творении, при выщелачивании, фильтрации. Суспензию образу­ет твердый катализатор, если реакция проходит в жидкой фазе. Глинистые и известковые «растворы», красители, краски и мно­гие другие материалы представляют собой суспензии.

В зависимости от дисперсности твердой фазы суспензии под­разделяют на грубые (диаметр частиц более 100 мкм), тонкие (от 100 до 0,5 мкм), и мути (от 0,5 мкм до 100 нм). Иногда в эту классификацию включают золи (коллоидные растворы) с размерами частиц менее 100 нм, хотя по ряду специфических признаков они представляют качественно отличающийся вид дисперсных систем.

— Лиозоли часто называют истинно коллоидными системами. Размеры частиц дисперсной фазы в них не превышают 100 нм. Основное качественное отличие лиозолей от микрогетерогенных систем состоит в том, что частицы золей участвуют в тепловом движении и благодаря этому обладают многими свойствами ис­тинных растворов.

Лиозоли делят на дисперсионные, ассоциативные и макро- молекулярные. Дисперсионные лиозоли получают методами конденсации (чаще всего) либо диспергирования, ассоциатив­ные— образуются обратимо при ассоциации молекул в раство­рах (обычно молекул ПАВ), к макромолекулярным лиозолям относятся растворы высокомолекулярных веществ. Лиозоли второй и третьей группы образуются самопроизвольно, как и истинные растворы.

Эмульсии — это дисперсные системы, образованные двумя взаимно нерастворимыми жидкостями. Их получают как кон­денсационными, так и диспергационными методами. На прак­тике чаще используют диспергирование. Как и суспензии, эмульсии обычно подразделяют по размерам частиц и концент­рациям дисперсной фазы.

Дисперсность эмульсий может изменяться в широких преде­лах вплоть до истинно коллоидной (диаметр частиц менее 100 нм). Большинство эмульсий принадлежит к микрогетероген­ным системам (размер частиц >100 нм), и их частицы хорошо видны в обычном микроскопе. Для эмульсий характерна коалес- ценция капель, т. е. их самопроизвольное слияние. Чтобы полу­чить высокодисперсные и устойчивые эмульсии, в систему до­бавляют стабилизаторы, называемые в данном случае эмуль­гаторами.

Для того, чтобы различать, какая из жидкостей эмульсии диспергирована, а какая является дисперсионной средой, приня­то полярную жидкость условно называть «водой», а неполяр­ную— «маслом». В соответствии с этим эмульсии делят на два типа: прямые — «масло в воде» (м/в) и обратные — «вода в мас­ле» (в/м). Тип эмульсии определяют по свойствам дисперсион­ной среды. Например, прямые эмульсии (м/в) смешиваются с водой (с полярными жидкостями), имеют большую электро­проводность, плохо смачивают гидрофобную поверхность. Проти­воположными свойствами обладают обратные эмульсии (в/м).

В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсин делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентри­рованные. Разбавленные эмульсии, имеющие концентрацию дис­персной фазы до 0,1% (об.), отличаются высокой дисперсностью (размер капель может быть менее 1Q0 нм). Концентрация дис­персной фазы в концентрированных эмульсиях не превышает 74% (об.). Это максимальная концентрация, которая соответст­вует плотной упаковке сферических капель одинакового разме­ра при отсутствии их деформирования. В концентрированных эмульсиях капли постоянно находятся в контакте, и поэтому они устойчивы только в присутствии эмульгатора. Если концентра­ция дисперсной фазы превышает 74%, то эмульсию называют Высококонцентрированной. В таких эмульсиях движение капель почти отсутствует, они существенно деформированы, а дисперси­онная среда приобретает вид тонких прослоек — эмульсионных пленок.

Пены и газовые эмульсии — свободнодисперсные системы, со­стоящие из газообразной дисперсной фазы и жидкой дисперси­онной среды. Газовые эмульсии — это разбавленные системы с малым содержанием пузырьков газа в жидкости. Они сравни­тельно быстро расслаиваются: вследствие значительн.0 меньшей плотности газа по сравнению с жидкостью пузырьки всплывают на поверхность, где, концентрируясь, образуют пену.

Пены — концентрированные дисперсные системы типа Г/Ж — имеют значительно большее распространение и значение, чем газовые эмульсии. Они могут быть получены как диспергацион — ными, так и конденсационными методами. Пеиа получается при барботаже газа в жидкость из узкого отверстия — струя газа разрывается и разбивается на пузырьки. Пена образуется и при механическом перемешивании газа с жидкостью, что можно на­блюдать при флотации, стирке и других процессах. Примерами конденсационного метода являются образование пены в газиро­ванных напитках, насыщенных СОг, при пользовании пенным огнетушителем. В этих системах пузыри газа образуются в виде новой фазы в результате химической реакции или выделения растворенного газа при повышении температуры или уменьше­нии давления. Устойчивость пен, как и эмульсий, обеспечивает­ся с помощью стабилизаторов, в качестве которых применяют­ся ПАВ.

Пены характеризуются очень большой полидисперсностью. Размеры пузырьков газа в пене могут значительно превышать размеры частиц суспензий и эмульсий. Пузырьки газа плотно прижаты друг к другу и разделены пенными пленками, которые вначале имеют значительную толщину. Со временем жидкость под действием силы тяжести и капиллярного давления оттекает из пленок в утолщения, находящиеся в местах контакта не­скольких пузырьков, и пенные пленки утончаются. Этот процесс идет быстрее в верхних пузырьках, и поэтому с них начинается разрушение пены.