Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО

Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.

В основе теории ДЛФО лежит понятие о расклинивающем давлении, которое возникает в тонком слое жидкости, образующемся между частицами при их сближении.

При сближении частиц происходит перекрытие их диффузных слоев. Образуется прослойка жидкости, в которой возникает давление, направленное в сторону соприкасающихся частиц. Это давление называют расклинивающим. Пусть давление в объеме жидкости равно р₀, а в прослойке жидкости – р. Тогда величина расклинивающего давления равна

При положительном расклинивающем давлении (р < p₀) жидкость из объема устремляется в тонкую прослойку. В этом случае дальнейшего сближения и слипания частиц не происходит. Если расклинивающее давление отрицательно (р > p₀), то жидкость будет вытекать из зазора, а частицы – самопроизвольно сближаться и слипаться.

Возникновение расклинивающего давления в тонких слоях жидкости обусловлено соотношением сил взаимного притяжения и отталкивания.

Рассмотрим силовое взаимодействие частиц. Между частицами дисперсной фазы действуют силы притяжения (Ван-дер-Ваальса) и силы электростатического отталкивания, обусловленные одинаковым знаком заряда частиц.

Принято, что силы притяжения отрицательны а электростатического отталкивания – положительны. Силы притяжения (Ван-дер-Ваальса) между двумя точечными зарядами обратно пропорциональны расстоянию между частицами h и включают три составляющие.

1) ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие: ;

2) индукционное взаимодействие: ;

3) дисперсионное взаимодействие: .

Суммарная энергия сил притяжения (Ван-дер-Ваальса) равна

,

где .

В коллоидных системах на поверхности частицы находится большое количество зарядов. Поэтому влияние расстояния между частицами на энергию притяжения снижается, в результате получаем

Таким образом, энергия притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Знак «–» показывает, что сила притяжения увеличивается при уменьшении расстояния.

При сближении двух частиц, несущих одинаковый заряд, происходит перекрытие диффузных слоев противоионов. Возникают силы электростатического отталкивания, энергия которых равна

,

где β – константа, определяемая параметрамиДЭС;

h – расстояние между частицами;

λ – толщина диффузного слоя.

Потенциал ядра φ снижается по экспоненциальному закону, следовательно, также уменьшается энергия электростатического отталкивания с увеличением расстояния между частицами. Показатель степени h/λ показывает, во сколько раз расстояние между частицами больше толщины диффузного слоя ДЭС.

Суммарная энергия взаимодействия складывается из энергий притяжения и отталкивания:

Из уравнения следует, что с увеличением h уменьшаются как силы притяжения, так и силы отталкивания. Причем силы отталкивания снижаются значительно резче сил притяжения, так как степенная функция убывает медленнее, чем экспоненциальная. (Например, при увеличении h в 100 раз U_в-в снижается в 10⁴ раз, а U_эл – в 10⁴³ раз.)

Зависимость суммарной энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними называют потенциальной кривой. Так как характер зависимости энергий притяжения и отталкивания от h различный, потенциальная кривая имеет сложный вид.

Проанализируем потенциальную кривую. На графике можно выделить три участка:

1) h < h₁; U(h) < 0: между частицами преобладают силы притяжения. При h → 0 энергия притяжения , а энергия отталкивания . Возникает глубокий энергетический минимум (I min), так называемая первая потенциальная энергетическая яма. Здесь действуют большие силы притяжения, поэтому, если частицы сближаются на расстояние
10^-8 – 10^{-9 м, происходит их слипание и коагуляция.}

2) h₁ < h < h₂; U(h) > 0: основную роль играют силы отталкивания. Возникает потенциальный барьер ΔU_к, который не позволяет частицам подходить на близкое расстояние и слипаться. В этом случае коагуляции не происходит, система агрегативно устойчива.

3) h₂ < h < h₃ U(h) < 0: преобладают силы притяжения. Поскольку силы отталкивания с увеличением h снижаются значительно сильнее, сил притяжения, на относительно больших расстояниях между частицами проявляются дальнодействующие силы притяжения. На потенциальной кривой появляется второй энергетический минимум (II min) или вторая потенциальная энергетическая яма. Величина II min значительно меньше первого. Здесь силы притяжения значительно слабее и взаимодействие частиц происходит через прослойку дисперсионной среды. При этом частицы фиксируются друг относительно друга в пространстве, образуя структурированные системы (неньютоновские жидкости типа гелей и студней). Связи между частицами легко разрушаются, под действием механической нагрузки или температуры, а затем легко восстанавливаются.

Выводы.

1. Если кинетическая энергия частиц мала, то при достаточно глубоком II min они фиксируются друг относительно друга на некотором расстоянии, образуя структурированные системы.

2. Если глубина II min невелика, а потенциальный барьер высокий, частицы не могут сблизиться на критическое расстояние, та как действуют мощные силы отталкивания. Система агрегативно устойчива.

3. Если частицы обладают высокой кинетической энергией, то при небольших II min и потенциальном барьере частицы слипаются и идет коагуляция. Таким образом, для того, чтобы началась коагуляция, частицы должны преодолеть потенциальный барьер.