Типы структур в дисперсных системах

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Практическое применение порошков

Порошкообразные материалы находят широкое применение в промышленности. В любой отрасли промышленности в той или иной степени используются многочисленные порошкообразные материалы: строительные материалы (цемент, алебастр, мел, известь), сухие краски и пигменты, минеральные удобрения и ядохимикаты, различные лекарственные препараты.

В пищевой промышленности многие продукты выпускаются в виде порошков: мука, крахмал, сода, сухое молоко, сахарная пудра, какао-порошок, специи, молотый кофе. В порошкообразном состоянии может находиться и сырье. В настоящее время различные производители предлагают пищевые порошки, полученные из разнообразного сырья – сахара, патоки, плодов и овощей, молока, мяса, которые используются как дополнительные ингредиенты в производстве пищевых продуктов, улучшающие их вкусовые свойства и обогащающие биологически активными веществами. Применение пищевых порошков на основе растительного сырья в производстве кондитерских изделий позволяет уменьшить углеводно-жировой комплекс и калорийность, обогатить функциональными ингредиентами (пищевыми волокнами, витаминами, микроэлементами, олигосахаридами, органическими кислотами), расширить ассортимент изделий. Порошковые технологии кондитерских изделий просты и экономичны, что позволяет получать массы и изделия с заранее заданными химическими свойствами и составом.

Качество получаемых продуктов во многом зависит от степени дисперсности используемого порошка и его предварительной подготовки. Так, своеобразная нежность шоколадных изделий определяется степенью размола какао-порошка. Для образования теста нормальной консистенции мука должна обладать определенной влагопоглощающей способностью, возрастающей с увеличением тонкости помола муки.

Высокодисперсные порошки используются также в качестве стабилизаторов микрогетерогенных систем, в частности эмульсий.

Раздел VIII.

Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого типа характерно преобладание сил притяжения частиц дисперсной фазы. Второй тип формируется в результате действия сил отталкивания.

В первом случае на потенциальной кривой взаимодействия частиц, помимо потенциального барьера D U _k, имеются два минимума – ближний (первый) и дальний (второй) (рис 63, а). Если высота потенциального барьера невелика и второй минимум неглубокий, происходит сближение частиц вплоть до их непосредственного контакта.

Структуры второго типа возникают в агрегативно устойчивых системах, при этом на потенциальной кривой имеется высокий потенциальный барьер и отсутствует второй энергетический инимум (рис. 63, б). Формирование пространственных структур происходит вследствие отталкивания частиц в стесненных условиях, возникающих при повышении концентрации дисперсной фазы. В результате взаимоотталкивания, частицы занимают энергетически более выгодное положение, и в объеме системы самопроизвольно формируется обратимая структура с трехмерной упорядоченностью.

Различают три вида межчастичных контактов, возникающих при образовании структур первого типа: коагуляционные, атомные и фазовые.

Коагуляционные контакты образуются между частицами при их фиксации во втором энергетическом минимуме. При этом между частицами остается прослойка дисперсионной среды (рис. 64, а). Прочность связей между частицами характеризуют средней силой их сцепления (прочностью единичного контакта), соответствующей усилию, необходимому для разъединения двух частиц. Для коагуляционных контактов она невелика и составляет
10^-11¸10^-9 Н. После механического разрушения коагуляционные контакты способны к самопроизвольному восстановлению.

Атомные контакты возникают при непосредственном взаимодействии частиц в первом энергетическом минимуме, когда частицы непосредственно соприкасаются друг с другом (рис. 64, б). Прочность атомных контактов на 2-3 порядка выше прочности коагуляционных и составляет 10^-9¸10^-6 Н. Атомные контакты также разрушаются обратимо.

Фазовые контакты образуются при «сращивании» частиц, находящихся в первом энергетическом минимуме. Это может происходить при конденсации вещества из пересыщенных растворов или расплавов в зоне контакта частиц, в результате диффузионных процессов. В этом случае возможен непрерывный переход вещества из объема одной частицы в другую
(рис. 64, в). Прочность фазовых контактов превышает 10^-6 Н и определяется прочностью самих частиц. Фазовые контакты разрушаются необратимо.

Рассмотренные виды контактов определяют два класса структур (по классификации П.А. Ребиндера) – коагуляционные и конденсационные (или конденсационно-кристаллизационные).

Коагуляционные структуры возникают в результате сцепления частиц через прослойки жидкости (во втором энергетическом минимуме), либо при частичном вытеснении их (в первом энергетическом минимуме), т.е. вследствие образования коагуляционных или атомных контактов. Образование коагуляционных структур во втором энергетическом минимуме часто называют гелеобразованием, а образующиеся при этом структурированные системы – гелями. Отличительной особенностью подобных систем является существование между частицами дисперсной фазы прослоек дисперсионной среды, что обусловливает небольшую прочность и ярко выраженные пластические свойства структур. Такие системы легко разрушаются под воздействием внешних факторов. Прочность их зависит от прочности контактов и их числа на единице площади сечения системы. Поэтому образованию коагуляционных структур способствуют высокие значения концентрации дисперсной фазы и степени дисперсности, анизодиаметричность частиц (нити, пластинки, стержни), пониженные температуры.

Для коагуляционных структур характерны специфические свойства, такие как тиксотропия (поэтому такие структуры часто называют коагуляционно-тиксотропнами), синерезис, набухание.

Тиксотропия (от греч. thixis – прикосновение и trope – поворот, изменение) – это способность системы восстанавливать исходную структуру, разрушенную механическим воздействием (перемешиванием, встряхиванием). Тиксотропное восстановление структуры обусловлено возобновлением контактов между частицами дисперсной фазы вследствие теплового движения частиц и подвижности среды.

Введение в высококонцентрированные системы поверхностно-активных веществ, снижающих межфазную энергию, уменьшает сопротивление деформированию и разрушению систем, пластифицируя их. Например, тиксотропия сливочного масла проявляется в способности перехода размягченной и разжиженной структуры в прочную после прекращения механического воздействия.

Синерезис (от греч. synairesis – сжатие, уменьшение) – постепенное упрочнение структуры, сопровождающееся ее сжатием и высвобождением части жидкости из структурной сетки. При этом структурированная система переходит в термодинамически более устойчивое состояние. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело. Синерезис – одна из форм проявления старения или "созревания" различного рода дисперсных структур, полимерных и биологических систем. Синерезис наблюдается, например, при черствлении хлеба, хранении сыра (появление слезы на поверхности), производстве творога (отделение сыворотки). Появление морщин, дряблости кожи у пожилых людей – следствие синерезиса.

Конденсационные структуры образуются в результате фазовых контактов. Если контакты возникают между кристаллическими частицами, то образующиеся структуры называют конденсационно-кристаллизационными, или кристаллизационными. Их отличают высокая прочность и необратимый характер разрушений. Образованию конденсационных структур всегда предшествует стадия формирования структуры коагуляционного типа.

Дисперсные структуры с фазовыми контактами возникают в разнообразных условиях, в том числе при прессовании порошков, образовании новой фазы в процессах конденсации, кристаллизации из метастабильных растворов и расплавов. Они образуются также при слеживании сыпучих гигроскопичных материалов, что значительно осложняет такие технологические операции, как засыпка из емкостей и бункеров, дозировка и транспортировка сыпучих материалов.

Существуют также смешанные коагуляционно-кристаллизационные структуры. Они образуются обычно в полидисперсных суспензиях или в системах, дисперсная фаза которых состоит из частиц разной природы. Например, структуру сливочного масла относят к кристаллизационному типу с преобладанием коагуляционных элементов и обязательным присутствием кристаллизационных. При отсутствии в структуре масла коагуляционных контактов оно теряет пластичность, становится твердым и крошливым.