Диспергационные методы получения лиозолей

Диспергированием называют такое измельчение твердых или жидких тел в инертной (не взаимодействующей с измельчаемым веществом) среде, при котором резко повышается дисперсность и образуется дисперсная система, обладающая значительной межфазной поверхностью. В противоположность растворению, диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества.

Процесс диспергирования имеет большое практическое значение в ряде производств и технологических процессов: при получении высокодисперсных порошков, служащих наполнителями для полимеров и пигментами для красок; при изготовлении суспензии графита для смазок; при измельчении руд полезных ископаемых перед их обогащением; при изготовлении цемента, муки и других пищевых продуктов.

На диспергирование материалов затрачивается огромное количество энергии. Например, в производстве цемента по сухому способу стоимость энергии, расходуемой на дробление и помол сырья, угля и клинкера, составляет примерно 3/4 всех производственных затрат. Однако тонкоизмельченное вещество приобретает много новых ценных свойств: краски – лучшую кроющую способность, яркость, большую устойчивость, более красивые оттенки; вяжущие строительные материалы – прочность, быстрое схватывание и твердение; катализаторы – повышенную активность в химических реакциях; продовольственные товары – лучшее вкусовое качество; хорошо диспергированные крахмал и белки, в отличие от необработанных продуктов, – способность растворяться в воде при комнатной температуре.

При изучении механизма диспергирования твердых тел было установлено, что при деформации твердого тела на его поверхности образуются микротрещины. Именно образование микротрещин, и особенно поверхностных, служит главной причиной резко пониженной прочности твердых тел по сравнению с теоретически возможной прочностью, вычисленной на основании данных об их строении.

Микротрещины образуются в слабых местах кристаллической решетки. При снятии нагрузки, если не достигнуто разрушение тела, образовавшиеся микротрещины смыкаются и исчезают. В случае нагрузок, превышающих предел прочности, идет разрушение тела по этим микротрещинам. Развитие микрощелей под действием внешних деформирующих сил происходит значительно легче при адсорбции различных веществ из среды, в которой ведется диспергирование. Адсорбироваться могут как ионы электролита, так и молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Образуя на адсорбировавшей их поверхности двумерный газ в результате нелокализованной адсорбции, они под действием этого газа проникают в устья возникших микрощелей и стремятся раздвинуть каждую микрощель, содействуя внешним деформирующим силам и способствуя диспергированию. Диспергирование облегчается не только благодаря давлению двумерного газа, но и вследствие экранирования сил сцепления, действующих между противоположными поверхностями щели, при попадании в образующиеся микрощели постороннего вещества.

Облегчение диспергирования под влиянием адсорбции получило название эффекта Ребиндера или адсорбционного понижения твердости, а вещества, повышающие эффективность диспергирования, называются понизителями твердости, например ПАВ. Проникая, вследствие поверхностной подвижности, к зоне предразрушения (например, вершине трещины), молекулы ПАВ снижают поверхностное натяжение (s), уменьшая работу образования новой поверхности. Следовательно, сущность эффекта Ребиндера заключается в облегчении деформации и разрушения вследствие снижения поверхностного натяжения. Адсорбция должна происходить одновременно с разрывом связи в момент образования новой элементарной ячейки поверхности. Таким образом, для адсорбционного понижения прочности (в отличие от коррозии) характерно обязательное сочетание действия среды и механических напряжений.

Адсорбционное понижение твердости используется не только при получении дисперсных систем, но и при грубом разрушении и деформировании различных материалов, например при бурении горных пород, при обработке металлов на металлорежущих станках и т. д. Благодаря адсорбционному понижению твердости эти процессы ускоряются, снижаются энергетические затраты и удлиняются сроки работы режущего инструмента.

При механическом дроблении или растирании даже в присутствии стабилизатора образуются обычно порошки, размер частиц которых не меньше нескольких микрометров (мкм). Поэтому методы диспергирования значительно уступают методам конденсации по дисперсности полученных систем.

Лиофильные коллоидные растворы, например растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), получаются при самопроизвольном растворении в подходящем растворителе. Процесс идет вследствие уменьшения свободной энергии при межмолекулярном взаимодействии (сольватации) и увеличения энтропии.

Для лиофобных систем характерны: механическое дробление тел до заданной величины дисперсности; диспергирование ультразвуковыми колебаниями; электрическое диспергирование под влиянием постоянного или переменного электрического поля. Энергия расходуется на преодоление межмолекулярных (когезионных) сил, на увеличение поверхности измельченного материала и накопление свободной поверхностной энергии.

Получение высокодисперсных систем методом механического диспергирования осуществляется в шаровых, коллоидных мельницах и краскотерах. В этих аппаратах сравнительно еще большие частицы подвергаются ударам, раздавливанию или истиранию, вибрации.

Шаровая мельница представляет собой вращающийся полый металлический цилиндр, который на 30–40 % заполнен тяжелыми металлическими или фарфоровыми шарами. В мельницу загружают грубую дисперсию измельченного вещества (20 % от объема мельницы) и дисперсионную среду со стабилизатором. При вращении цилиндра шары под действием центробежной силы притягиваются к стенке и вместе с ней поднимаются на некоторую высоту, затем падают на шары, находящиеся внизу, и дробят попадающие между ними частицы дисперсной фазы. При перекатывании шаров во вращающейся мельнице происходит также и истирание частиц материала.

Шаровые мельницы имеют ряд преимуществ перед другими аппаратами. Измельчение происходит в замкнутом пространстве без потери растворителя; процесс можно продолжать до тех пор, пока не будет достигнута нужная степень измельчения; простота обслуживания машины. Недостатком шаровых мельниц является значительное истирание шаров, что приводит к загрязнению получаемой дисперсии, а также их сравнительно малая производительность.

Принцип диспергирования частиц в аппаратах типа краскотерок заключается в раздавливании частиц между двумя вращающимися валиками или между вращающимся валиком и неподвижной поверхностью. Диспергирование происходит в результате больших сдвиговых напряжений, возникающих в тонком слое жидкости между валиками.

Наибольшую степень дисперсности можно получить в коллоидных мельницах. Первая лабораторная коллоидная мельница была сконструирована Веймарном, а мельница промышленного типа – Плаузоном (1920 год). Она представляла собой металлический охлаждаемый водой кожух, в котором вращался эксцентрический вал, на котором укреплены металлические пальцы-била. На внутренней стороне кожуха расположены металлические зубья, между которыми проходили била. Суспензию грубоизмельченного вещества подавали сверху. Дробление частиц происходит в результате удара частичек о била и зубья и за счет истирания.

В другом типе коллоидных мельниц грубая дисперсия подается в щель между пришлифованными друг к другу поверхностями ротора и статора. При прохождении жидкости в виде тонкой пленки через щель (толщина щели 0,05 мм) взвешенные в жидкости частицы испытывают значительные сдвиговые усилия и измельчаются.

Диспергирование с помощью ультразвуковых колебаний (более 20000 колебаний в секунду) эффективно для веществ с малой прочностью, например, смол, серы, графита, гипса. Ультразвуковые колебания получают с помощью пьезоэлектрических осцилляторов. Под влиянием ультразвуковых колебаний возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, приводящие к образованию мельчайших полостей – кавитаций, что разрушает твердую фазу.

К электрическому диспергированию можно отнести получение золей электрораспылением в вольтовой дуге металлических электродов, погруженных в дисперсионную среду. При прохождении тока через электроды возникает вольтова дуга и образуется облачко высокодисперсного металла. Разрушению подвергается не только анод, но и катод. Вместо постоянного тока применяют и переменный ток высокой частоты, а процесс электрораспыления проводят путем погружения электородов в металлический порошок, лежащий на дне сосуда в жидкой органической среде. Переменный ток проходит по слою металлического порошка и вызывает в точках неполного касания электрический разряд. Таким образом были получены органозоли металлов, которые широко применяются при гидрировании и восстановлении органических соединений; в качестве катализаторов; наполнителей пластических масс, клеев, лаков и красок; для изготовления лекарственных препаратов и т. д.