Системы с твердой дисперсионной средой

К системам с твердой дисперсионной средой можно отнести хлеб, кирпич, древесину, бетонные и другие изделия. К подобным системам относятся рубиновые стекла, впервые полученные М. В. Ломоносовым путем восстановления Au³⁺ в расплавленном стекле; они представляют собой стекло, в котором распределено небольшое количество золота (0,01—0,1%) в виде высокодисперсных частиц (см. табл. 1.3).

Коллоидно-химические свойства систем с твердой дисперсионной средой резко отличаются от свойств систем с подвижной жидкой и газовой средой, не способных сохранять неизменной свою форму.

Характеристика систем с твердой дисперсионной средой

Ранее были рассмотрены классификация систем с твердой дисперсионной средой в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы (см. табл. 1.1), а также применительно к дисперсным системам в различных отраслях промышленности (см. табл. 1.2).

Высокодисперсные системы типа Т/Т по аналогии с системами с жидкой дисперсионной средой (см. табл. 1.1) называют твердыми золями, а грубои среднедисперсные системы — сплавами. Подобное деление все же несколько условно, так как часто в системе присутствуют частицы разного размера. К дисперсным системам Т/Т относятся минералы, горные породы, эмали, сплавы металлов. Некоторые сорта стали представляют собой дисперсную систему, в которой дисперсная фаза образуется из частиц цементита Fe₃С. В чугуне дисперсную фазу составляют частицы углерода. Присутствие дисперсной фазы в стали и чугуне влияет на их прочностные свойства.

Дисперсные системы типа Ж/Т по аналогии с системами с жидкой дисперсионной средой называют твердыми эмульсиями. Твердые эмульсии в чистом виде встречаются сравнительно редко. К ним относится, например, черный фарфор, который получают диспергированием ртути в расплаве полуфабриката. Шарики ртути формируют жидкую дисперсную фазу.

К дисперсным системам типа Ж/Т можно с некоторыми допущениями отнести часть овощей и фруктов, например яблоки, твердый каркас ткани которых пропитан жидкостью.

Твердая дисперсионная среда придает этому виду дисперсных систем по сравнению с другими особые свойства — она образует жесткий каркас. За счет него обеспечивается агрегативная и седиментационная устойчивость этого вида дисперсных систем. Жесткий каркас образует твердую структуру, которая сообщает дисперсным системам прочность, упругость, эластичность и пластичность. Так, значение модуля Юнга структурированных масс с твердой дисперсионной средой превышает 10⁴ Па, вязкость — 10⁶ Па•с.

В системах с твердой дисперсионной средой типа Г/Т и Ж/Т возникает граница раздела фаз Г—Т и Ж—Т, на которой могут протекать адсорбционные (см. гл. 4—6) и адгезионные (см. гл. 5) процессы. В меньшей степени эти процессы, а также диффузия (см. параграф 9.3) идут на границе раздела двух твердых тел у дисперсных систем типа Т/Т.

Из электрокинетических явлений для дисперсных систем типа Ж/Т характерен электроосмос; этот процесс используют для удаления жидкой дисперсионной среды, например при сушке древесины. Некоторые дисперсные системы типа Ж/Т и Т/Т способны рассеивать свет (см. параграф 8.1). В обобщенном виде коллоидно-химические свойства дисперсных систем с твердой дисперсионной средой приведены ниже:

Жемчуг представляет собой дисперсную систему типа Т/Т и состоит преимущественно (до 91%) из мелких, но одинаково ориентированных кристаллов карбоната кальция СаСО₃. Каждый кристалл окружен тонким слоем перламутра. Пластинчатые кристаллы имеют толщину до 2 мкм, а ширину — от 3 до 30 мкм. Толщина пластинчатого перламутрового слоя достигает 0,5 мм. Перламутр, дисперсная фаза жемчуга, образуется из тонких пластинок двустворчатых и брюхатых моллюсков, невидимых невооруженным глазом. Перламутр жемчуга рассеивает свет и создает тонкие переливы красок, которые сообщают жемчугу неповторимый колорит.

Рассеяние света определяет окраску драгоценных и полудрагоценных камней, которые содержат ничтожное количество примесей тяжелых металлов и их оксидов. Эти примеси находятся в раздробленном состоянии и составляют дисперсную фазу.

В естественных рубинах и изумрудах такими примесями являются оксиды хрома. Окраску искусственных рубиновых стекол, технология изготовления которых, как уже отмечалось, связана с именем М. В. Ломоносова, определяет незначительное содержание раздробленных частиц золота. Зеленая окраска александрита вызвана примесью хрома. В зависимости от длины падающего света александрит по-разному рассеивает его и изменяет свою окраску: при дневном свете она изумрудно-зеленая, а при искусственном приобретает вишнево-красный оттенок.

На основе закономерностей физико-химической механики, ее методик и рекомендаций были получены новые конструкционные структурированные материалы с заранее заданными механическими и другими свойствами. Ряд таких материалов относится к дисперсным системам типа Т/Т. Для создания подобных структурированных систем исходные вещества сначала измельчают, а затем получают из порошков твердые материалы. Казалось бы, зачем тратить энергию на разрушение и дробление, с тем чтобы вновь превратить материал в единое целое? Но дело в том, что структура реальных твердых тел имеет множество дефектов и слабых мест, которые вызваны трещинами, неровностями, неравномерным строением кристаллической решетки и другими причинами. Поэтому прочность реальных твердых тел в сотни и даже тысячи раз меньше максимально возможной при отсутствии дефектов.

Измельчение устраняет подобные дефекты, так как процесс разрушения твердых тел происходит по слабым местам. Кроме того, образующиеся дисперсные системы обладают большой нереализованной свободной поверхностной энергией (см. параграф 2.2), что дает возможность получать из них композиционные структурированные материалы, обладающие прочностью, значительно превышающей прочность исходных твердых тел. К подобным композиционным материалам относятся ситаллы, керметы и так называемые САП.

Ситаллы — это закристаллизованные стекла; они относятся к дисперсным системам типа Т/Т. Помимо стекловидной фазы в материал входят кристаллические образования. Размеры кристаллов, которые образуются в результате введения в стекло небольших количеств различных веществ (металлов, их оксидов и др.), не превышают 1 мкм. Множество переплетающихся кристаллов сообщает структуре прочность, в 10 раз превышающую прочность прокатного стекла. Некоторые марки ситаллов тверже углеродистой стали и легче алюминия, а по термостойкости не отличаются от кварца.

Керметы сочетают свойства керамики (тугоплавкость, твердость, жаростойкость) и металлов (проводимость, пластичность и др.). Они относятся к металлокерамическим материалам.

Новый конструкционный материал, представляющий собой спеченный алюминиевый порошок, получил название САП. Частицы оксида алюминия создают структуру, промежутки в которой заполнены алюминием. САП по сравнению с чистым алюминием имеет повышенную прочность, обладает стойкостью к агрессивным средам, жаропрочностью и другими положительными качествами. Под материалами САП в настоящее время подразумевают не только алюминиевые, но и все композиции, составленные из металла и его высокодисперсного твердоплавкого оксида.