Диспергационный метод

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Дисперсные системы получают путем диспергирования (диспергационный метод) или конденсации (конденсационный метод). В первом случае твердые и жидкие вещества тонко измельчают в соответствующей дисперсионной среде, во втором – вызывают образование частиц дисперсной фазы из отдельных молекул или ионов (рис. 3). Необходимым условием получения лиофобной дисперсной системы является нерастворимость или очень малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде и наличие в среде веществ, способных стабилизировать частицы дисперсной фазы – стабилизаторов.

Этот метод объединяет, прежде всего, механические способы измельчения дисперсной фазы (механическое диспергирование), в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы над системой. В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются.

В лабораторных и промышленных условиях рассматриваемые процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различной конструкции. Наиболее распространены шаровые мельницы, представляющие собой полые вращающиеся цилиндры, в которые загружают измельчаемый материал и стальные или керамические шары. При вращении цилиндра шары перекатываются, истирая и дробя материал. В шаровых мельницах получают системы, размеры частиц которых находятся в довольно широких пределах – от 2-3 до 50-70 мкм.

Более тонкого диспергирования добиваются в коллоидных мельницах различных конструкций, принцип действия которых основан на развитии разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижной частью устройства – статором. Взвешенные крупные частицы испытывают при этом значительное разрывающее усилие и таким образом диспергируются.

Высокой дисперсности можно достичь ультразвуковым диспергированием. Диспергирующее действие ультразвука связано с кавитацией – образованием и захлопыванием полости в жидкости. Захлопывание полостей сопровождается появлением кавитационных ударных волн, которые и разрушают материал. Ультразвуковое диспергирование применимо и является эффективным только при измельчении малопрочных материалов (графит, сера, каучук, желатин).

Возможно также электрическое диспергирование, основанное на образовании вольтовой дуги между электродами из распыляемого металла, помещенными в охлаждаемую дисперсионную среду. При температуре вольтовой дуги металлы испаряются, а затем конденсируются в холодной среде. Таким способом получают в основном коллоидные растворы металлов, например, серебра, золота, платины.

При дроблении и измельчении материалы разрушаются, в первую очередь, в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц возрастает, что обычно используют для создания более прочных материалов. В то же время увеличение прочности материалов по мере их измельчения ведет к большому расходу энергии на дальнейшее диспергирование. Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера –адсорбционного понижения прочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), в результате чего облегчается деформирование и разрушение твердого тела. Для понизителей твердости характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера и специфичность действия. Добавки, смачивающие материал, помогают проникнуть среде в места дефектов и с помощью капиллярных сил также облегчают разрушение твердого тела. ПАВ не только способствуют разрушению материала, но и стабилизируют дисперсное состояние, так как, покрывая поверхность частиц, они тем самым препятствуют обратному их слипанию.

Отдельно в диспергационном методе выделяют получение лиофобных золей пептизацией осадка. Этот способ заключается в переводе свежеприготовленных рыхлых осадков в коллоидное состояние под действием пептизаторов (электролитов, коллоидных ПАВ), восстанавливающих на поверхности частиц дисперсной фазы стабилизирующие структуры, определяющие их устойчивость. Пептизация применима только для свежеприготовленных осадков, так как при хранении происходят процессы рекристаллизации и старения, приводящие к сращиванию частиц друг с другом.

Диспергационным методом достичь высокой дисперсности, как правило, не удается. Поэтому коллоидные системы с частицами размером от 1 до 100 нм получают конденсационным методом.