Гетерогенные и полимерные дисперсные системы: эмульсии, суспензии, гели, золи. Лаки, краски, масла и смазки. Практическое применение

 

 

К гетерогенным дисперсным системам относят смеси, состоящие, как минимум, из двух фаз, из которых наименее диспергированная имеет размеры частиц 100÷1000нм (10^-5÷10^-6м). Техническое название таких систем – взвеси. Если дисперсионная среда является жидкой фазой, то взвеси именуют эмульсиями. В твердой дисперсионной среде взвеси называют суспензиями. Но все эти системы представляют собой коллоидные растворы органических веществ.

К коллоидным системам, широко применяемым в технике, относятся смазочные материалы – моторные, трансмиссионные, турбинные, компрессорные и приборные. Они служат для образования надежных масляных пленок на трущихся поверхностях, отвода тепла и выноса продуктов износа из зоны трения, защиты металла от коррозии.

В зависимости от сырья, из которого изготавливаются смазочные материалы, их классифицируют на:

- нефтяные масла, например нигрол. Это вещества минерального происхождения, их получают при вакуумной перегонке мазута (эмульсии) или гудрона (суспензии). Некоторые масла этой группы – компаудные – получают смешиванием в определенных пропорциях эмульсии и суспензии. Они более высокого качества и не оставляют загрязнений на поверхности металла;

- животные масла являются органическими жирами и эмульсиями. Их получают при переработке отходов животноводческих комплексов и на мясомолочных комбинатах как продукты переработки мяса, костных тканей, молока и его производных;

- растительные масла также относятся к органическим продуктам, получаемым путем экстракции непредельных, предельных и ароматических углеводородов, кетонов, эфиров и жиров растительного происхождения (добываемых из подсолнечника, рапса, сои, ореха и т.п.);

- синтетические масла получают искусственным путем, применяя методы алкилирования, аминирования, окисления углеводородов. Синтетические масла гораздо стабильнее, чем органические, и обладают лучшими вязкостными характеристиками. Наиболее успешно применяются в качестве моторных масел такие синтетические масла, как полиэфирные (полученные на основе сложных эфиров дикарбоновых кислот), диалкилбензольные, полиэтиленгликолевые, фосфорорганические.

В подшипниках качения, шарнирах и других узлах трения, работающих при температурах от -60°до 350°С, чаще всего используются пластические (консистентные) смазки. Это – мазеобразные продукты, гели, получаемые введением загустителей в минеральные масла. В качестве загустителей служат мыла. Например, при использовании мыла - кальциевой соли жирных карбоновых кислот получают консистентные смазки солидол и униол, если используется литиевое мыло, то образуется смазка – литол, если натриевое – то консталин.

Широкое применение в технике получили и твердые смазки, состоящие их веществ слоистой структуры: графит, дисульфиды молибдена (MoS₂) и вольфрама (WS₂), диселениды молибдена (MoSe₂), вольфрама (WSe₂) и ниобия (NbSe₂), нитрид бора(BN). Твердые смазки используются для обработки узлов трения, работающих при высоких температурах и давлении в агрессивной среде. При введении твердых смазок в стабильные полимеры (в полиамидные смолы, фторопласты) получают самосмазывающиеся материалы.

Охлаждающие жидкости, применяемые для отвода тепла от турбин, реакторов, двигателей внутреннего сгорания, должны обладать высокой теплоемкостью, низкой температурой замерзания и высокой температурой кипения, химической и физической стабильностью, коррозионной инертностью. В качестве охлаждающих жидкостей в технике применяются водные растворы коллоидов: глицерина, эмульсии масел (эмульсолы), нефтяные масла, антифризы. Хорошо себя зарекомендовал этиленгликолевый антифриз – водный раствор этиленгликоля с массовой долей НОСН₂СН₂ОН (ωС₂Н₆О₂), равной 66,7%. Температура замерзания такой системы составляет -75°С.

Гидравлические жидкости являются рабочими телами в гидравлических системах, обеспечивающих передачу механической энергии через жидкую фазу (гидроприводы самолетов, экскаваторов, тормоза автомобилей, оборудование для подземных работ и т.п.). К ним также предъявляются требования физической и химической стабильности, химической и коррозионной инертности, высоких температур воспламенения и кипения, хороших смазывающих и противоизносных свойств. Для этих целей применяются нефтяные масла высокой степени очистки. Применяют также водно-глицериновые и спиртово-глицериновые эмульсии, фторхлоруглеводороды. Тормозные жидкости получают на основе гликолей, их эфиров и спиртокасторовых смесей.

К коллоидным растворам относят также растворы полимерных веществ в различных средах и сами полимеры тоже. На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, краски, клеи, пластмассы и композиционные материалы. Рассмотрим некоторые из полимеров.

Волокна получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) с последующим их затвердеванием. Наиболее распространены:

- полиамидные волокна, получаемые поликонденсацией мономеров с образованием связей (– NH – C –), к ним относятся найлон, капрон;

׀׀

О

- полиакрилонитрилы, получаемые полимеризацией или сополимеризацией мономеров с образованием связей СН₃

׀

) – ₂СН – С –).

׀

О = С – NO₂

Полимерные пленки получают из расплавов полимеров продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту. Пленки используются как электроизоляционный или упаковочный материал (чаще всего применяется в быту и технике полиэтилен и полистирол).

Лаки – растворы пленкообразующих полимерных соединений в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие их пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители.

Эмали – это лаки, содержащие полимеры с тремя и более функциональными группами, обладающие сетчатой структурой. К ним относятся все органические краски (масла). Например, полиуретаны или полиметилметакрилаты образуют объемную структуру:

–С = О

׀

– N – CH₂ – N – CH₂ – N –

׀ ׀

O = C C = O

׀ ׀

– N – CH₂ – N – CH₂ – N –

׀

O = C –.

Клеи – композиции, способные соединять различные материалы с образованием прочных связей. Синтетические органические клеи создаются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав клеев входят также отвердители, наполнители, пластификаторы. Например, термопластические клеи (выдерживающие температуры до 500°С) состоят из полиамидных (О) или полиуретановых (Н – N – O -) мостиков.

׀׀ ׀

– NH – C – C = O

Термореактивные клеи обеспечивают сцепление с поверхностью за счет «сшивания» при отвердевании. К ним относятся резиновые клеи (фенолформальдегидные и эпоксидные смолы).

Синтетические каучуки (эластомеры) получают эмульсионной полимеризацией бутадиена, при этом образуются бутадиеновые каучуки типа (– СН₂ – СН = СН – СН₂ –)_n, или поликонденсацией бутадиена и стирола с образованием бутадиен-стирольных каучуков

(– СН₂ – СН = СН – СН₂ – СН –)_n.

|

С₆Н₅

При вулканизации каучуков получают резину и эбонит.

Кремнийорганические полимеры, содержащие мостиковые связи типа

R R

| |

(- O – Si -)_n или (- Si – R -)_n, также используют для получения

| | лаков, красок, клеев, пластмасс и

R R

резины (их еще называют силиконами).

Несмотря на то, что полимерные соединения в растворе не содержат микрогетерогенной фазы, как коллоидные частицы, тем не менее из-за больших размеров молекул и большой массы, их физические и химические свойства напоминают свойства коллоидных систем.