Основы физико-химической механики

задача физико-химической механики состоит в получении материалов с заданными свойствами и научном обосновании оптимальных технологических решений

Физико-химическая механика

• раздел современной коллоидной химии, изучающий зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений на поверхностях раздела фаз

Структурно-механические (реологические) свойства дисперсных систем

• вязкость• пластичность• упругость• прочность

Классификация дисперсных систем по наличию взаимодействия между частицами

свободнодисперсные• бесструктурные системы, в

которых частицы дисперсной фазы почти не связаны друг с другом и способны независимо перемещаться под влиянием теплового движения или силы тяжести– аэрозоли– лиозоли– разбавленные суспензии и

эмульсии

связнодисперсные• обладают определенной

структурой; частицы связаны между собой, не способны к взаимному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения– гели– порошки– концентрированные

суспензии (пасты) и эмульсии, порошки.

Структура

• пространственный каркас, образованный связями атомов, ионов, молекул, мицелл, кристаллитов и частиц коллоидных размеров

Виды структурв связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)

1. КОАГУЛЯЦИОННАЯ• образована

межмолекулярным ван-дер-ваальсовым сцеплением беспорядочно расположенных коллоидных частиц через тонкие прослойки дисперсионной среды

коагуляционные контакты

Золь – гель переходпроцесс превращения коллоидного раствора в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или под влиянием иных внешних воздействий (охлаждение, изменение pH, ионной силы раствора)

Гель –твердообразная коагуляционная структура

1 – частицы дисперсной фазы (ДФ)

2 – точечные контакты частиц ДФ

3 – участки поверхности, сохранившие агрегативную устойчивость

4 – петли структуры, заполненные дисперсионной средой (ДС)

Коагуляционная = тиксотропно-обратимая

• Тиксотропия - способность коагуляционной структуры уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (cгущаться) в состоянии покоя

• грунты-плывуны• бетонная смесь• тиксотропные краски

Реологические свойства коагуляционных структур

• невысокая прочность• ползучесть (способность к медленному

развитию значительных остаточных деформаций)

• структурная вязкость• пластичность в пастах

Виды структурв связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)

2. КОНДЕНСАЦИОННО-КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ

• возникает либо в результате образования прочных химических связей между частицами, либо вследствие сращивания кристалликов, возникающих в процессе кристаллизации новой фазы

фазовый контакт

Реологические свойства кристаллизационных структур

• высокая прочность• хрупкость• необратимое разрушение при

механическом воздействии• отсутствие пластичности• отсутствие тиксотропии

Пример 1. Твердение гипса

Пример 2. Твердение бетона

• бетонная смесь: цемент + заполнитель (песок, гравий, щебень) + вода

1. Зерна цемента (алюминаты и силикаты кальция) растворяются– образуется пересыщенный раствор, из которого

выделяются менее растворимые кристаллогидраты

2. Кристаллы срастаются и переплетаются, связывая песок, гравий и щебень в монолит

Влияние поверхностных эффектов на механические свойства

1. Эффект Иоффе (1923 г.)

– пластичность и прочность каменной соли (NaCl) в воде ПОВЫШАЮТСЯ

– объяснение:• удаление поверхностных микротрещин за счет

растворения поверхности образца (Иоффе)

• «между наблюдением исключительной прочности кристалла каменной соли и получением такой же прочности технических материалов - громадный путь...»

Влияние поверхностных эффектов на механические свойства

2. Эффект Ребиндера (1928 г.)

– деформирование и разрушение твердых тел при контакте со средой, содержащей ПАВ, ОБЛЕГЧАЮТСЯ

– объяснение:• понижение свободной поверхностной энергии

твердого тела при адсорбции ПАВ

Формулировка П.А. Ребиндера

• «эффект адсорбционного понижения прочности твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, вследствие обратимой адсорбции на его поверхности частиц из окружающей среды»

Внешний (а) и внутренний (б) эффекты Ребиндера

Эффект Ребиндера в полимерах: crazing