Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Поэтому такие разные по молекулярному механизму явления, как ползучесть (по Шведову) и вязкопластическое течение (по Бингаму), можно описывать одной и той же моделью, но с существенно разными параметрами. Универсальная роль макрореологии и состоит в таком расчленении сложного поведения на ограниченное число простых, имеющих конкретные количественные характеристики. В свою очередь, раскрытие механизма каждого из этих элементарных поведений требует привлечения молекулярно-кинетических представлений и может быть охарактеризовано как микрореологический подход. Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие роль тиксотропии дисперсных систем в технике и в природе.
Тиксотропные свойства бентонитовых глин обусловливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых промывочных растворов 408 в нефтедобывающей промышленности. При работе бура такие растворы ведут себя как типичные жидкости. Поток бурового раствора, нагнетаемого в скважину, выносит на поверхность грубодисперсные частицы выбуренной породы. При остановке бура (например, в случае необходимости удлинения труб) возникает опасность быстрого оседания (седиментации) выбуренной породы и в результате заклинивания бура, т.
е. серьезной аварии. Тиксотропные свойства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуляционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствующей их оседанию. При возобновлении работы бура коагуляционная структура глинистых частиц легко разрушается, и система снова приобретает жидкообразные свойства. Вместе с тем учет тиксотропных свойств грунтов, особенно оводненных глинистых грунтов, чрезвычайно важен при разработке технических условий и строительстве зданий, мостов, при прокладке дорог. Тиксотропные свойства структуры пигментов в масляных красках обусловливают технические свойства этого широко используемого материала.
Так, перемешивание обеспечивает разрушение коагуляционной структуры пигмента и легкоподвижность материала и тем самым создает возможность нанесения его требуемым тонким слоем. Быстрое восстановление структуры препятствует стеканию краски с вертикальной поверхности. Учет закономерностей структурообразования необходим и при введении наполнителей в каучуки и другие полимерные материалы. Если задача состоит в достижении высокой прочности и твердости материала (в ущерб его эластичности), то выгодно использовать возможно большее наполнение, т.
е. наиболее плотную упаковку частиц. Для этого надо воспрепятствовать возникновению рыхлой пространственной сетки частиц, т. е. ослабить их взаимное сцепление, располагая вместе с тем хорошим сцеплением между частицами и матрицей. Поскольку напалнитель обычно представлен частицами с полярным строением, а матрица является неполярным или малополярным веществом, это достигается введением таких ПАВ, адсорбция (хемосорбция) которых на поверхности частиц обеспечивает их предельное «намасливание» (гидрофобизацию), т. е.
наиболее полную лиофилизацию системы (см. П1.2); для частиц алюмосиликатов и других кислых минералов это могут быть катионные ПАВ (в достаточной концентрации). Если же ставится задача сохранения значительной эластичности, то наполнение должно быть умеренным, с образованием более или 409 менее рыхлой сетки частиц наполнителя. При этом требуется очень тонкое регулирование сил сцепления между частицами наполнителя.
Действительно, при высокой степени лиофилизации системы (чрезмерном ослаблении сцепления частиц) наполнитель седиментирует, что ведет к резкой неоднородности материала. Однако и при сохранении чрезмерной лиофобности (сильном сцеплении частиц) материал окажется резко неоднородным из-за агрегирования — комкования наполнителя. А.Б. Таубманом показано, что оптимальные условия для структурированиядостигаются, если в среднем адсорбция составляет примерно половину монослоя. Этот пример наглядно иллюстрирует универсальную роль ПАВ в решении задач тонкого регулирования сцепления частиц дисперсных фаз и в итоге — структурных и реологических (механических) свойств дисперсных систем и материалов.
1Х.4. Физико-химические явления в процессах деформации и разрушения твердых тел. Эффект Ребиндера Перейдем к изучению роли физико-химического взаимодействия сплошных твердых тел сосредойвпроцессахдеформации и разрушения. Сюда относятся открытые Ребиндером разнообразные эффекты облегчения пластического течения и понижения прочности твердых тел вследствие обратимого физико-химического влияния среды, связанного с понижением удельной свободной поверхностной энергии твердых тел и, как следствие этого, с уменьшением работы образования новых поверхностей в процессах деформации и разрушения. Отличительные особенности этих явлений, названных в мировой научной литературе эффеклгом Ребиидяра, заключаются в том, что они, как правило, наблюдаются при совместном д е й с т в и и среды и определенных механическихнапряжений, когда понижение поверхностной энергии не влечет само по себе развития новой поверхности, но лишь помогает действию внешних сил ! Когда говорят об обратимости эффекта Ребиндера, то имеется в виду наличие термодинамически устойчивой границы между (взаим- ' Только при очень сильном снижении поверхностного натяжения до величин, приближающихся к критическому значению, определяемому условием: о я о, = = рк "г)е~, где Н вЂ” размер частицы, возможно самопроизвольное диспергирование системы в отсутствие внешних механических воздействий (см, гл, тг).
410 но насьпценными) твердой фазой и средой, а также исчезновение рассматриваемых эффектов при удалении среды, например испарением. Эти особенности определяют существенное отличие эффекта Ребиндера от коррозионного воздействия среды. Вместе с тем следует отметить, что резких границ здесь провести нельзя: может наблюдаться широкий спектр процессов от идеализированных случаев чисто механического разрушения до чисто коррозионных процессов (или растворения). При этом эффект Ребиндера, т.е. адсорбционное (и хемосорбционное) понижение прочности, коррозия под напряжением, коррозионная усталость занимают некоторые промежуточные положения. В подобных явлениях сочетаются в определенных долях механическая работа внешних сил и химическое (физико-химическое) взаимодействие со средой.
В зависимости от природы твердого тела и среды, а также от условий ее воздействия рассматриваемые эффекты обратимого физико-химического (адсорбционного) влияния среды могут проявляться в различной степени и разных формах, а именно в понижении прочности (вплоть до условий, приближающихся к самопроизвольному диспергированию) или же в облегчении пластического деформирования твердого тела (адсорбционное пластифицирование). Возможность, форма и интенсивность протекания процессов адсорбционного воздействия среды на механические свойства твердых тел определяются рядом факторов, которые можно разделить на три группы. 1. Химическая природа среды и твердого тела, т. е.
характер сил, действующих между молекулами (атомами) обеих фаз и особенно в поверхности раздела этих фаз. П. Реальная (дефектная) структура твердого тела, определяемая количеством и характером дефектов, включая размер зерен, наличие и размеры зародышевых микротрещин и т. п. П1. Условия проведения деформирования и разрушения твердого тела, в том числе температура, вид и интенсивность напряженного состояния (т. е. способ приложения и величина внешних механических воздействий), количество и фазовое состояние среды, продолжительность ее контакта с твердым телом. Рассмотрим преимущественно роль факторов первой группы в связи с самой яркой формой проявления эффекта Ребиндера (резким адсорбционным понижением прочности) и лишь кратко остановимся на роли структуры твердых тел и условий их деформирования, а также на возможных пугях использования этих эффектов и способах предотвращения их вредного влияния [11[.
411 1Х.4 1. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА И СРЕДЫ НА ПРОЯВЛЕНИЕ АДСОРВЦИОННОГО ПОНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ Будем считать величину межфазной поверхностной энергии основным параметром, характеризующим взаимодействие тела и среды и определяемым их химическим составом. Следующее упрощенное рассмотрение позволяет получить связь прочности и поверхностной энергии для тела, имеющего дефект в виде микротрегцины.
Рассмотрим твердое тело, а именно пластину единичной толщины, к которой приложено растягивающее напряжение р (в Н/и ) (рис. 1Х-24). В соответствии с законом Гука упругая деформация тела приводит к накоплению в нем упругой энергии с плотностью, равной В' где Š— модуль Юнга. Пусть в теле возникает сквозная трещина (надрез) длиной 1, при этом в части объема тела происходит спад упругой деформации и соответственно уменьшение плотности упругой энергии В'упр. Можно приближенно считать, что подобная релаксация напряжейий происходит в области с размером порядка! (рис.
1Х-24), т.е. уменьшение запасенной в теле упругой энергии пропорционально квадрату размера трещины: з1з 2зК 2Е Вместе с тем раскрытие трещины сопровождается увеличением поверхностной энергии вследствие образования новой поверхности раздела фаз с площадью, пропорциональной удвоенной длине трещины. Таким образом, зависимость изменения свободной энергии системы от размера трещины имеет вил: 1'з1з ЛК вЂ” 2о1- —, 2Е ' Ранее (см.! Х.1.3) при рассмотрении механических свойств дисперсных систем, способных проявлять вязкопластическое течение, имелось в виду напряженное состояние сдвига, к которому и относились параметры б, г), т' (прочность таких систем отождествляется при этом с предельным напряжением сдвига). Переходя к механическому поведению компактных и преимупгественно упруго-хрупких твердых тел, целесообразнее обратиться к напряженному состоянию одноосного растяжения, используя вместо напряжения сдвигах расгягиваюпгее напряжение р, вместо модуля сдвигай модуль Юнга Е, а в качестве характеристики прочности вместо ть сопротивление отрыву 412 Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
