Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО

Агрегативная устойчивость и коагуляция

Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, то есть размеры частиц и их индивидуальность.

При нарушении агрегативной устойчивости происходит слипание частиц и образование крупных агрегатов. В результате система теряет седиментационную устойчивость: частицы не могут принимать участие в броуновском движении и выпадают в осадок. Процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов называют коагуляцией. Укрупнение жидких частиц дисперсной фазы называют коалесценцией.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Агрегативная устойчивость и неустойчивость определяются способностью частиц взаимодействовать друг с другом, то есть сближаться до определенного расстояния.

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 положение о том, что поведение коллоидной системы определяется 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.

Силы притяжения (Ван-дер-Ваальса) между двумя точечными зарядами обратно пропорциональны расстоянию между частицами h:

,

где a – коэффициент пропорциональности.

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.

При сближении двух частиц, несущих одинаковый заряд, происходит перекрытие диффузных слоев противоионов (рис. 38). Возникают силы электростатического отталкивания, энергия которых равна

,

где β – константа, определяемая параметрами ДЭС; h – расстояние между частицами; λ – толщина диффузного слоя.

Потенциал ядра φ снижается по экспоненциальному закону, следовательно, так же 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.

Рис. 38. Перекрытие диффузных слоев при сближении частиц

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 (рис. 39). 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)

Рис. 39. Потенциальная кривая

h < h ₁; 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) h ₁ < h < h ₂; U (h) > 0: основную роль играют силы отталкивания. Возникает потенциальный барьер Δ U _к, который не позволяет частицам подходить на близкое расстояние и слипаться. В этом случае коагуляции не происходит, система агрегативно устойчива.

3) h ₂ < h < h ₃ 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.