Физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов. Фундаментальные аспекты, технологические приложения


Н.Б. УРЬЕВ





                ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ




ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ







л

                                                  Издательский Дом
                                                  ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

Н.Б. Урьев
  Физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов. Фундаментальные аспекты, технологические приложения: Учебное пособие /Н.Б. Урьев — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 232 с.: цв. ил.
  ISBN 978-5-91559-156-0

  Учебное пособие посвящено новой быстро развивающейся области физической химии и химической технологии дисперсных систем и материалов — физико-химической динамике. В отличие от традиционного подхода к изучению дисперсных систем и образуемых в результате их отверждения дисперсных материалов преимущественно в статических условиях, в предлагаемой читателю книге впервые теоретически и экспериментально обоснован и реализован принципиально новый подход к процессам структурообразования в дисперсных системах и «синтеза» на их основе материалов в динамических условиях.
  В основе этого подхода лежит изучение динамики контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз в жидких и газовых дисперсионных средах, процессов структурообразования и разрушения дисперсных структур в динамических условиях, преимущественно при осцилляции, в сочетании с введением добавок различных видов поверхностно-активных веществ. Теоретически обоснованы и экспериментально определены оптимальные параметры сочетания механических воздействий и добавок поверхностно-активных веществ, обеспечивающие максимальную текучесть высоконаполненных и высокодисперсных (включая нанодис-персные) систем. Это позволяет на порядки величин интенсифицировать разнообразные процессы, осуществляемые с участием дисперсных систем при одновременном снижении энергоёмкости этих процессов. При этом обеспечивается максимально высокая степень однородности образующихся структур в дисперсных системах и материалах.
  В учебном пособии представлены методы структурной виброреологии, осуществлено аппаратурное оформление ряда технологических процессов, в том числе с переходом от периодических к непрерывным высокоскоростным методам получения дисперсных систем и материалов.
  Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, научных работников и инженеров, работающих в прикладных областях, связанных с разработкой и применением дисперсных систем и материалов для дорожного строительства, энергетики, химических технологий и ряда отраслей промышленности.






ISBN 978-5-91559-156-0

            © 2013, Н.Б. Урьев
            © 2013, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие автора....................................7
Предисловие...........................................9
Введение............................................. 12

Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................... 16
   Список литературы.................................25
   Вопросы...........................................26

Глава 2
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ И МАТЕРИАЛАХ.........................................27
   2.1. Типы контактов между частицами в дисперсных системах и материалах.............................27
   2.2. Критерии образования дисперсных структур.....32
       2.2.1. Характерный критический размер частиц. 32
       2.2.2. Концентрационный фактор и прочность коагуляционных структур...................... 37
       2.2.3. Временной фактор прочности контактов и дисперсных структур..................................... 42
   Список литературы.................................50
   Вопросы...........................................51

—I Оглавление

Глава 3

ДИНАМИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССАХ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................52
    3.1. Динамическое состояние дисперсных систем...........52
    3.2. Динамика контактных взаимодействий в дисперсных системах................................................59
        3.2.1. Неравновесность как важнейшая особенность динамики контактных взаимодействий .......................... 59
        3.2.2. Динамика контактных взаимодействий в двухфазных дисперсиях типа: твердая фаза—жидкая дисперсионная среда (Т—Ж-системы) ................................ 60
        3.2.3. Элементы динамики контактных взаимодействий в высокодисперсных порошках....................... 68
        3.2.4. Динамика контактных взаимодействий в трехфазных системах.......................................... 70
    Список литературы......................................76
    Вопросы................................................77

Глава 4
РЕОЛОГИЯ, ВИБРОРЕОЛОГИЯ И СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ........................78
    4.1. Реология и виброреология двухфазных дисперсных систем.................................................78
        4.1.1. Основы реологии и виброреологии двухфазных Т—Ж-систем: паст и суспензий ..................... 80
        4.1.2. Основные методы и приборы для измерения реологических свойств Т—Ж-систем.................. 80
        4.1.3. Динамические режимы нагружения............. 89
        4.1.4. Полная реологическая кривая течения дисперсных систем.............................................. 91
        4.1.5. Реология и виброреология структурированных минеральных суспензий............................... 94
        4.1.6. Поверхностно-активные вещества в динамических процессах........................................ 105
        4.1.7. Виброреология и структурообразование битумно-минеральных композиций................... 112
        4.1.8. Динамика двухфазных дисперсных Ж—Ж-систем-эмульсий.............................. 123
        4.1.9. Течение и растекание двухфазных Т—Ж-систем по твердым поверхностям.......................... 128

Оглавление —I 5

   4.2. Виброреология и текучесть порошкообразных материалов........................................... 137
   Список литературы.................................... 145
   Вопросы.............................................. 148

Глава 5
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, РЕОЛОГИЯ И ВИБРОРЕОЛОГИЯ ТРЕХФАЗНЫХ Т-Ж-Г-СИСТЕМ................ 149
   5.1. Кинетика процессов структурообразования в трехфазных дисперсных системах в динамических условиях
       (при вибрации) в процессе смешения............... 149
   5.2. Структурообразование и реология трехфазных Т-Ж—Г-систем в процессах уплотнения.................. 179
   Список литературы.................................... 187
   Вопросы.............................................. 188

Глава 6
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ
ДИНАМИКИ В ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ........................................... 190
   6.1. Общие принципы.................................. 190
   6.2. Технология дисперсных систем.................... 193
       6.2.1. Трубопроводный гидротранспорт высококонцентрированных суспензий ...............193
            6.2.1.1. Безотходная технология добычи руды с заполнением пустот горных выработок твердеющей смесью высокодисперсной пустой породы, цемента, воды и добавок ПАВ.......... 193
            6.2.1.2. Технология приготовления и гидротранспорта высококонцентрированных водоугольных суспензий ................................... 194
            6.2.1.З. Технология приготовления многокомпонентных высокодисперсных агрегативно- и седиментационно устойчивых дисперсий......................... 198
            6.2.1.4. Предотвращение слеживаемости гигроскопичных порошкообразных материалов................... 202
   6.3. Дисперсные композиционные материалы.............204
       6.3.1. Дисперсные материалы гидратационного твердения........................................ 204

Оглавление.

6

        6.3.2. Абразивные материалы как пример высоконаполненных высокодисперсных композитов....................... 209
        6.3.3. Новый вид композиционного материала для дорожного строительства — асфальтобетон с нанодисперсным и полимерным компонентами ........................ 212
        6.3.4. Эффект воздействия вибрации на кристаллизационную структуру, наполненную полимерную композицию и волокнистые материалы .......................... 215
    Список литературы.....................................217
    Вопросы...............................................218
Заключение................................................220
Отзывы................................................... 223
Приложение................................................225

        ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА










             Учебное пособие обобщает многолетние исследования автора в новой области физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений — физико-химической динамики дисперсных систем и материалов. Этому новому направлению посвящены исследования автора в созданной в 1985 г. в Институте физической химии АН СССР лаборатории высококонцентрированных дисперсных систем.
     Отличительная особенность обобщенных и представленных в книге исследований автора и возглавляемой им лаборатории состоит в том, что в течение многих лет разработки фундаментального характера реализовывались во многих прикладных областях техники и технологии. Более того, целый ряд фундаментальных исследований явились следствием и инициировались проблемами технологии разнообразных дисперсных систем и материалов.
     Начальная стадия исследований автора связана с его многолетней работой в отделе дисперсных систем ИФХ АН СССР, возглавлявшемся академиком П.А. Ребиндером.
     Широта его научных интересов, многообразие применения результатов его исследований в различных областях, в том числе прикладных разработках, послужили для автора хорошим примером в научной деятельности. Вместе с тем, многолетний опыт чтения автором лекций в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) также способствовал применению разработок фундаментального характера во многих областях техники и технологии.
     Существующий в настоящее время, зачастую значительный, разрыв между результатами фундаментальных исследований и их практической реализацией в технологии дисперсных систем и материалов является, по мнению автора, главным препятствием на

—I Предисловие автора

  пути перехода на новый качественно более высокий уровень решения технологических проблем в этой области.
       Именно поэтому в этой книге поставлена цель: обосновать необходимость и показать принципиальную возможность устранения этого разрыва, а также сформулировать и реализовать пути и методы решения этой проблемы на примере технологии разнообразных дисперсных систем и материалов.
       Автор признателен за поддержку своим коллегам по работе, своей семье, а также Кульковой Т.А. за помощь в оформлении книги.

        ПРЕДИСЛОВИЕ










               Учебное пособие Н.Б. Урьева является первой книгой в новой области физической и коллоидной химии — физико-химической динамики дисперсных систем и материалов, развитой автором в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физической химии и электрохимиии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН).
       Существенно важная особенность этого нового направления в физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений состоит в том, что представленные в ней результаты многолетних фундаментальных исследований автора теснейшим образом связаны с решением проблем современной химической технологии дисперсных систем и материалов во многих областях.
       Установленные автором экспериментально и теоретически обоснованные фундаментальные закономерности динамики контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз, новое представление в области реологии и виброреологии дисперсных, и в том числе, нанодисперсных систем, открытое им явление сверхтекучести дисперсных систем и разработка методов ее достижения — реализованы более чем в 15 областях техники и технологии.
       Это позволило во многих случаях кардинально изменить традиционные представления в этих областях и перейти на качественно новый уровень технологических решений.
       В числе этих разработок создание новых эффективных материалов на основе минеральных вяжущих, широко внедренные в промышленность и строительство, материалы на органическом связующем с нанодисперсным и полимерным компонентами; технология трубопроводного гидротранспорта высококонцентрированных суспензий, методы интенсификации и оптимизации ряда химико-технологических процессов в кипящем слое, высокоскорос

¹⁰ -V

Предисловие

    тных процессов перемешивания многокомпонентных дисперсных систем, микрокапсулирования и целый ряд других областей.
     Несомненное достоинство этих разработок состоит в том, что возникшие в процессах их реализации задачи и проблемы фундаментального характера были решены и успешно решаются в настоящее время Н.Б. Урьевым и возглавляемым им коллективом сотрудников в Лаборатории высококонцентрированных дисперсных систем ИФХЭ РАН.
     Результаты этих разработок автора были отмечены Премией Совета Министров РФ, Ребиндеровской премией РАН, Виноградовской премией, международной премией МАИК Наука и рядом других.


  Президент Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, директор ИФХЭ РАН, академик РАН

А.Ю. Цивадзе

Предисловие

Л

11

               Академик РАЕН, профессор, доктор химических наук Н.Б. Урьев в течение многих лет успешно преподает в МАДИ (ГТУ) разработанный им новый курс: «Физическая химия в дорожном материаловедении». Несомненное достоинство этого курса, как и предлагаемой читателю книги состоит в том, что в ней, пожалуй, впервые, рассмотрены важнейшие проблемы технологии дисперсных композиционных материалов с позиций современных фундаментальных достижений в области физической и коллоидной химии и созданного им нового раздела физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений — физико-химической динамики дисперсных систем и материалов.
       Эта новая область науки явилась результатом обобщения комплекса выполненных автором книги многолетних экспериментальных и теоретических исследований в различных областях материаловедения. Книгу Н.Б. Урьева отличает то важное обстоятельство, что эти результаты привели к созданию новых видов высокоэффективных материалов: асфальтобетонов с нанодисперсным и полимерным компонентами, песчаных бетонов, коллоидных поли-мерцементных растворов и других материалов.
       Эти материалы отличаются повышенными структурно-механическими характеристиками и долговечностью.
       Вместе с тем, в книге Н.Б. Урьева рассмотрены новые физикохимически обоснованные методы оптимизации и интенсификации технологических процессов, осуществляемых в условиях реализации принципа максимальной текучести высококонцентрированных и высокодисперсных систем.
       Полагаю, что книга Н.Б. Урьева будет весьма полезна для студентов старших курсов, магистров, аспирантов, преподавателей ВУЗов и научных работников в области современного материаловедения.


    Ректор МАДИ (ГТУ), член-корреспондент РАН

В.М. Приходько

         ВВЕДЕНИЕ










            Одна из важных областей физической химии — физическая химия дисперсных систем и поверхностных явлений — коллоидная химия, возникшая в середине XIX в, в значительной степени ограничивалась рассмотрением дисперсных систем с размером частиц дисперсной фазы не превышающим 1 мкм и, поэтому, способных участвовать в тепловом броуновском движении.
     Вместе с тем, как было показано автором в последние десятилетия и как обосновано в данном учебном пособии, дисперсные системы с размером частиц превышающим 1 мкм до 100—200 мкм, ранее относившиеся с позиций классической коллоидной химии к грубодисперсным системам и, поэтому, рассматривавшиеся в качестве объектов механики или гидромеханики, по существу также должны изучаться с позиций физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений.
     Объясняется это тем, что в таких системах роль межчастич-ных—межмолекулярных взаимодействий предопределяет их физико-химические свойства и, прежде всего, склонность к самопроизвольному структурообразованию под действием поверхностных сил.
     Это обстоятельство кардинально изменяет условия, методы проведения разнообразных химико-технологических процессов и процессов получения дисперсных материалов с участием таких систем.
     Но, именно эти системы представляют собой огромный и чрезвычайно разнообразный по физико-химическим свойствам, областям использования класс дисперсных систем, применяемых в современной технологии и распространенных в природе.
     Отсюда следует, что оптимизация и интенсификация химикотехнологических процессов, понимание многих природных явле

Введение

Л

13

  ний с участием дисперсных систем должны рассматриваться и изучаться с позиций современных представлений в области физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений.
       Вместе с тем, поскольку многие из этих процессов реализуются в неравновесных динамических условиях, их регулирование и управление в физико-химическом смысле должно быть основано на современных представлениях в области физико-химической механики и физико-химической динамики дисперсных систем.
       Технология получения и переработки дисперсных, то есть состоящих из совокупности частиц, систем и дисперсных композиционных материалов, — сложный многоплановый процесс, в основе которого лежит сочетание физических, механических, гидромеханических, а также физико-химических, температурных воздействий преимущественно на начальных стадиях технологии. При этом все виды указанных воздействий существенным образом влияют друг на друга (т. е. взаимосвязаны друг с другом), зачастую кардинально изменяя как ход процесса на всех его стадиях, так и на разнообразные свойства образующихся после его завершения композитов.
       Речь идет о так называемом «синтезе» прочности и других свойств и направленном их регулировании для формирования отвержденных структур композитов, отвечающих комплексу необходимых физико-механических, физико-химических характеристик.
       Различные стадии получения дисперсных систем и материалов, осуществляемые последовательно или параллельно, зачастую протекают на фоне механических или гидромеханических воздействий на образующиеся структуры (термические воздействия, химические процессы, в частности полимеризация в случае получения наполненных композитов на органическом связующем, кристаллизация для композитов на минеральных вяжущих гидратационного твердения, спекания для материалов на керамическом связующем, получаемых путем обжига).
       Обоснованный выбор параметров сочетания указанных выше воздействий в таких процессах как диспергирование, сушка, обжиг, смешение, трубопроводный транспорт смесей, формование, уплотнение, осуществляемых, как правило, на начальных стадиях технологии получения композитов, в значительной степени предопределяют ход последующих стадий, структуру и свойства отвержденных материалов.

¹⁴ Д.

Введение

     До последнего времени в рамках традиционной технологии определение указанных параметров зачастую осуществлялось эмпирическим путем без учета того факта, что большинство высоко-наполненных твердыми фазами дисперсных композитов, особенно в случаях использования в их составе коллоидно- или нанодисперсных компонентов, характеризуется чрезвычайно высокой межфазной поверхностью. Вместе с тем, в технологии получения разнообразных дисперсных композиционных материалов во все большем масштабе реализуется сочетание двух факторов: резкого увеличения дисперсности твердых компонентов (s) и, при этом, возрастания их объемного содержания (у>) в жидких и (или) газовых дисперсионных средах.
     Сочетание высоких значений s и р кардинально изменяет условия и параметры технологических процессов, связанных с переработкой дисперсных систем и получением композитов, особенно на начальных стадиях.
     Это обстоятельство определяет необходимость учета физикохимических факторов, зависящих от свойств поверхности частиц твердых фаз, контактирующих друг с другом непосредственно или через прослойку жидкой среды.
     Речь идет об энергии и силе межмолекулярных, межчастичных взаимодействий, инерционных и гидродинамических эффектах при дозировании, перемешивании, транспорте, укладке, формовании и уплотнении смесей до начала их отверждения. Сочетание высоких значений s и ^ неизбежно приводит к самопроизвольному агрегированию, образованию пространственных структур из частиц с высокими значениями эффективной вязкости ^ и напряжения сдвига Р.
     Без строгого (количественного) обоснования параметров внешних механических воздействий на эти структуры в сочетании с физико-химическим управлением свойствами поверхности частиц, образующих структуру, невозможно осуществить процессы получения композитов с заданными свойствами, а также оптимизировать и интенсифицировать эти процессы на начальных стадиях. Здесь имеется в виду снижение затрат энергии при осуществлении гидромеханических процессов, сокращение их длительности с достижением максимальной степени однородности образующихся структур материалов.
     Задача эта весьма сложна, однако без ее решения на основе современных фундаментальных представлений с позиций физи-