Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Разбавленных суспензий






 

Агрегативная устойчивость суспензии это способ­ность сохранять неизменной во времени степень диспер­сности, т. е. размеры частиц и их индивидуальность.

Агрегативная устойчивость разбавленных суспензий весьма сходна с агрегативной устойчивостью лиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устой­чивыми системами, так как содержат более крупные час­тицы и, следовательно, имеют меньшую свободную по­верхностную энергию.

При нарушении агрегативной устойчивости суспен­зии происходит коагуляция слипание частиц дисперс­ной фазы. Коагуляция это самопроизвольный процесс, так как сопровождается уменьшением свободной энергии системы за счет уменьшения межфазной поверхности. Этот процесс аналогичен тому, который происходит в лиозолях, более того, коагуляция лиозолей приводит к образованию суспензий и далее может продолжаться в них, приводя к образованию осадка. Этот осадок часто является концентрированной суспензией (пастой) т. е. структурированной системой, свойства которой будут рас­сматриваться в отдельном разделе.

Для достижения агрегативной устойчивости суспен­зии необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

• смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной

средой;

• наличие стабилизатора.

Первое условие. Если частицы суспензии хорошо сма­чиваются дисперсионной средой, то на их поверхности образуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты. Хорошая смачиваемость частиц на­блюдается в суспензиях полярных частиц в полярных жидкостях и неполярных частиц в неполярных жидко­стях.

Примером агрегативно устойчивых суспензий без ста­билизатора с сольватационным механизмом устойчивости являются суспензии кварца в воде и сажи в бензоле. Так как кварц хорошо смачивается водой, а сажа бензолом, эти суспензии агрегативно устойчивы без третьего компо­нента стабилизатора. Если заменить дисперсионную сре­ду, исключая тем самым смачивание (например, разме­шать порошок сажи в воде), то получается агрегативно неустойчивая система частицы сажи водой не смачива­ются, гидратная оболочка не образуется и незащищенные частички легко соединяются друг с другом.

Второе условие. Если частицы суспензии не смачива­ются или плохо смачиваются дисперсионной средой, то используют стабилизатор.

Стабилизатор это вещество, добавление которо­го в дисперсную систему повышает ее агрегативную ус­тойчивость, т. е. препятствует слипанию частиц.

В качестве стабилизаторов суспензий применяют:

• низкомолекулярные электролиты;

• коллоидные ПАВ;

• ВМС.

Механизм их стабилизирующего действия различен, в зависимости от природы стабилизатора реализуется один, а чаще несколько факторов устойчивости, аналогично тому, как это происходит в лиофобных золях. Отметим возможные факторы устойчивости: адсорбционно сольватный, электростатический, структурно механический, эн­тропийный, гидро динамический.

Если стабилизатор является ионогенным веществом (рас­падается в растворе на ионы), то обязательно действует электростатический фактор устойчивости: на поверхности частиц образуется двойной электрический слой, возникает электрокинетический потенциал и соответствующие элект­ростатические силы отталкивания, препятствующие слипа­нию частиц. Электростатическое отталкивание частиц опи­сано теорией ДЛФО (см. раздел 10.4). Если это ионогенное вещество низкомолекулярный неорганический электро­лит, то его стабилизирующее действие ограничивается только этим фактором. Если же ионогенное вещество коллоид­ное ПАВ или полиэлектролит, то реализуются и другие факторы устойчивости, рассмотрим их подробнее.

 

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ

КОЛЛОИДНЫХ ПАВ

Стабилизирующее действие коллоидных ПАВ опреде­ляется их способностью адсорбироваться на межфазной по­верхности, образуя адсорбционные пленки. Вследствие вы­сокой поверхностной активности концентрация ПАВ в по­верхностном слое в десятки тысяч раз превышает объемную концентрацию, поэтому в адсорбционных пленках, так же как и в мицеллах ПАВ, происходит ассоциация неполяр­ных групп. Строение адсорбционного слоя зависит от:

• природы ПАВ;

• природы межфазной поверхности (границы: «твердая частица жидкая

среда»);

• степени заполнения поверхности;

• наличия в дисперсионной среде различных добавок. Изменение строения

адсорбционного слоя отражается на его защитных свойствах.

Коллоидное ПАВ, имея дифильное строение, способно адсорбироваться как на полярных, так и на неполярных поверхностях, лиофялизируя их.

В соответствии с правилом уравнивания полярнос­тей Ребиндера стабилизирующее действие ПАВ прояв­ляется тем заметнее, чем больше первоначальная разни­ца в полярностях твердой частицы и жидкой дисперси­онной среды. Таким образом, при использовании в качестве стабилизатора коллоидного ПАВ реализуется адсорбционно сольватный фактор устойчивости. Напри­мер, чтобы получить суспензию сажи в воде (рис 15.1), используют олеат натрия, который неполярным углево­дородным радикалом адсорбируется на частицах сажи, а полярная группа, направленная в сторону воды, ею гидратируется и тем самым поверхность частицы становит­ся смачиваемой водой (гидрофилизируется), суспензия стабилизируется. Аналогичный процесс мы проводим, когда моем руки, загрязненные сажей, или моем посуду после жирной пищи.

Олеат натрия можно использовать и для стабилиза­ции суспензии силикагеля (SiO2) в бензоле (неполярная жидкость) (рис. 15.2).

В этом случае олеат натрия будет адсорбироваться на поверхности твердой частицы своей полярной группой, направляя углеводородный радикал в сторону бензола. Тем самым поверхность силикагеля становится гидрофоб­ной, бензол ее смачивает, и суспензия стабилизируется.

 
 

 

 


 

Но лучший стабилизирующий эффект достигается при более специфическом выборе ПАВ. Подбор ПАВ для ста­билизации суспензий различного типа сходен с подбором ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Если необходимо стабилизировать суспензию полярных частиц в неполярной жидкости, то используется колло­идное ПАВ с низкими значениями чисел ГЛБ, обычно 3 6, т. е. малорастворимые в воде, известны случаи стаби­лизации ПАВ с 30 атомами углерода в цепи.

В пищевой промышленности для этих целей исполь­зуются липоиды (лецитин), ланолин и т. д.

Если необходимо стабилизировать суспензию неполяр­ных частиц в полярной жидкости, то применяются кол­лоидные ПАВ с высокими значениями чисел ГЛБ, обычно 8 13, т. е. достаточно хорошо растворимые в воде, такие соединения содержат 10 18 атомов углерода в цепи.

Максимум стабилизирующих свойств наблюдается у ПАВ с 14 16 атомами углерода (так называемый макси­мум Донана). В пищевой промышленности для этих це­лей часто используют пропиловый спирт, соли высших карбоновых кислот и т. д.

 

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВМС

И ПОЛИЭЛЕКТРОЛЯТОВ

 

Строго говоря, в качестве стабилизаторов дисперсных систем, в том числе и суспензий, молено использовать только такие ВМС, которые являются поверхностно активными веществами и их надо было бы называть поверхностно активными высокомолекулярными веществами (ПАВМС или ВМПАВ). Чтобы оказать защитное действие, молеку­лам полимера необходимо адсорбироваться на поверхнос­ти частицы, а это может произойти только в том случае, если при этом уменьшится поверхностное натяжение на границе раздела фае. Эти вещества отличаются от колло­идных ПАВ тем, что для них характерно возникновение структурно механического фактора устойчивости.

Таким образом, если в качестве стабилизатора приме­няются ВМС, то механизм их действия аналогичен меха­низму коллоидной защиты лиофобных золей: адсорбция молекул полимера на твердых частицах приводит к воз никновению защитной оболочки, обладающей механичес­кой прочностью и упругостью, причем отмечено, что ад­сорбция ВМС является необратимой. Для этого вокруг частицы должен существовать избыток макромолекул, необходимый для образования насыщенного монослоя или даже полислоя. Электронномикроскопические снимки не­посредственно доказали наличие таких защитных оболо­чек. Например, адсорбционные слои метилцеллюлозы на частицах полистирола имеют толщину 70 100 . Таким образом, возникает структурно механический фактор устойчивости, полностью предотвращающий коагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта. Он играет главную роль в обеспечении агрегативной устойчивости суспензий. Обычно он сопровождает­ся энтропийным фактором устойчивости, вклад которо­го достаточно велик. Это обусловлено тем, что при сбли­жении частиц, стабилизированных молекулами ВМС, уменьшается число возможных конформаций молекул по­лимера, а это приводит к уменьшению энтропии системы, поэтому частицы стремятся оттолкнуться друг от друга.

Если в качестве ВМС используются полиэлектролиты, то к этим двум факторам добавляется и третий элект­ростатический фактор устойчивости. Полиэлектролиты стабилизаторы применяются для водных суспензий, т. е. для стабилизации гидрофобных частиц в полярных жид­костях. Наиболее распространенные водорастворимые по­лиэлектролиты это белковые вещества, альгинаты, карбоксиметилцеллюлоза, алкилполиамин и т. д.

 

СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ

 

При использовании ВМС в качестве стабилизаторов суспензий надо помнить о таком явлении как сенсиби­лизация. Сенсибилизация явление уменьшения агрегативной устойчивости системы при добавлении к ней высокомолекулярных соединений.

Ранее это явление рассматривалось в отношении лиофобных золей, но оно характерно и для суспензий. Сенси­билизация, как правило, обнаруживается при малом со­держании макромолекул в дисперсионной среде и объясня­ется образованием между отдельными частицами мостиков стабилизатора. В суспензиях каолина и полистирола воз­никновение мостиков доказано электронномикроскопичес­кими исследованиями: концентрациям метилцеллюлозы до 1 2% от веса твердой фазы обычно отвечает неустойчивое, а выше 4% устойчивое состояние суспензии.

Таким образом, решающее влияние на защитное дей­ствие макромолекул оказывает соотношение между ко­личеством полимера и удельной поверхностью частиц.

Для стабилизации суспензии полистирола необходима поверхностная концентрация метилцеллюлозы 6•10 4 г/м2. Аналогичные соотношения установлены и для других ВМС.

В заключение можно сказать, что агрегативная ус­тойчивость суспензий в сильной степени зависит от спе­цифического взаимодействия макромолекул с поверхно­стью частиц дисперсной фазы. Следовательно, выбор ВМС для стабилизации суспензии носит, во многом, эмпири­ческий характер.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.