Эффект Ребиндера и его роль в диспергировании
В 1928 г-дин П. А. Ребиндер высказал предположение о том, что в основе понижения механических свойств твердых тел под влиянием поверхностно-активных веществ (ПАВ) лежит снижение свободной поверхностной энергии и, как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых поверхностей. Разрушение можно рассматривать как процесс образования новых поверхностей, следовательно, адсорбция ПАВ облегчает разрушение. Прочность твердого тела тем меньше, чем меньше поверхностная энергия. Поверхностную энергию можно уменьшить с помощью ПАВ. Существует выражение, устанавливающее связь прочности и поверхностной энергии для тела, имеющего дефект в виде микротрещины.
Рассмотрим твердое тело – пластину (рис. 7.3) единичной толщины, к которой приложено растягивающее напряжение 
. В соответствии с законом Гука, упругая деформация тела приводит к накоплению в нем упругой энергии с плотностью, равной
(7.6)
где 
- модуль Юнга. Пусть в теле возникает сплошная трещина длинной 
. При этом в части объема происходит уменьшение упругой деформации и соответственно уменьшение плотности упругой энергии. Можно приближенно считать, что подобная релаксация напряжений происходит в области размером порядка (рис. 7.3), т. е. уменьшение запасенной в теле упругой энергии пропорционально квадрату размера трещины:
(7.7)
Рис. 7.3. Пластина единичной толщины под воздействием растягивающего напряжения .
|
|
|
При механическом диспергировании протекает обратный процесс - рекомбинация частиц, интенсивность которого увеличивается при увеличение степени дисперстности. Максимальный размер частиц, который можно получить механическим измельчением - 
. Рекомбинацию частиц можно подавить, применяя инертный разбавитель. Так получают коллоидную серу дроблением ромбической серы с добавлением сахара как инертного разбавителя. К образующейся смеси коллоидной серы с сахаром добавляют воду и разделяют смесь с помощью диализа.
Увеличение поверхностной энергии 
пропорционально поверхностному натяжению и удвоенной длине трещин, так как трещина имеет два берега.
(7.8)
Рис. 7.4.
Вместе с тем рост трещины сопровождается увеличением поверхностной энергии вследствие образования новой поверхности раздела фаз с площадью, пропорциональной удвоенной длине трещины. Общее изменение энергии при образовании трещин равно сумме изменений упругой и поверхностной энергий:
(7.9)
Графически зависимость изменения энергии от длины трещины изображается кривой с максимумом (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Зависимость изменения энергии от длинны трещины.
В точке максимума значение первой производной функции равно 
, т. е.
|
|
|
(7.10)
Этому максимуму свободной энергии отвечает критический размер трещины, равный:
(7.11)
Трещины с размером, большим критического, неустойчивы и самопроизвольно увеличивают свои размеры, что приводит к образованию макроскопической трещины и разрушению тела. Трещины с размером, меньшим критического, должны стремиться уменьшить свои размеры (залечиваться).
Выражение (7.11) можно также представить в виде
(7.12)
Согласно этому соотношению, полученному впервые Гриффитсом и названному его именем, реальная прочность 
твердого тела, имеющего трещину с размером l, пропорциональна корню квадратному из величины поверхностной энергии и обратно пропорциональна корню квадратному из длины трещины. «Теоретическая» прочность идеального тела равна
(7.13)
где 
– размер молекул. Уравнение Гриффитса может быть также представлено в виде
(7.14)
Таким образом, отношение реальной и идеальной прочности твердого тела определяется соотношением между размером молекул b и размером дефекта.
Таким образом, анализ взаимосвязи механических свойств и поверхностной энергии показывает, что, изменяя величину поверхностной энергии, можно влиять на прочность материалов. Развитие микротрещин под действием внешних сил может быть облегчено адсорбцией различных веществ на поверхности тела из среды, в которой проводят диспергирование.
|
|
|
Адсорбироваться могут ионы электролитов, молекулы поверхностно-активных веществ, жидкие металлы (например, ртуть). На поверхности образуется двухмерный газ. Адсорбированные ионы или молекулы проникают в щели и стремятся раздвинуть микротрещины. Происходит также экранирование сил сцепления, действующих между поверхностями микротрещин. Адсорбированное понижение прочности получило название эффекта Ребиндера. Вещества, повышающие эффективность диспергирования, называются понизителями твердости. Этот эффект имеет большое практическое значение не только в процессах собственно диспергирования, но и в процессах бурения твердых пород, при тонкой обработке металлов.
Понизители твердости могут быть введены в диспергирующее устройство в виде паров, жидкости. Этот способ широко применяется при получении высокодисперсного цемента.
К эффективным методам относятся механическое дисперигирование, основанное на применении вибрационных методов (воздействие колебаний достаточно высокой частоты и малой амплитуды) и осуществляемое в вибраторах вибромельницах. К этой же группе относится и диспергирование в звуковых и ультразвуковых полях.
|
|
|
Таким путем получают органозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидрозоли серы, различных полимеров.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!