Лако-красочные материалы — производство

Межфазные поверхности могут существовать только при нали­чии в системе жидкой или твердой фазы. Именно эти фазы оп­ределяют форму и строение поверхностного слоя — переходной области от одной фазы к другой. Свойства поверхностного слоя непосредственно связаны с объемной структурой жидких и твердых фаз. К этому факту мы будем обращаться и в дальней­шем, а здесь отметим существенное влияние на свойства по­верхностей жидких и твердых тел большой подвижности моле­кул жидкости и практической неподвижности молекул и атомов твердого тела.

Поверхностный слой жидкости вследствие подвижности мо­лекул в объеме, а также в результате постоянно протекающих процессов испарения и конденсации находится в состоянии не­прерывного обновления. Так, среднее время жизни молекулы воды на поверхности составляет около 10~7 с. Плотность гра­ничного слоя между водной фазой и ее насыщенным паром из­меняется непрерывно от плотности жидкой воды до плотности ее пара. Обычно толщина поверхностного слоя жидкости суще­ственно зависит от температуры. В то же время межмолекуляр — ные силы обеспечивают наличие поверхностного слоя жидкости определенной толщины. Чем больше межмолекулярные силы, тем на меньшее расстояние молекулы могут диффундировать с поверхности, т. е. тем меньше толщина поверхностного слоя. Внутренняя граница слоя соответствует началу изменения структуры жидкости в объеме. Вследствие подвижности жидко­сти имеют гладкие и сплошные, или эквипотенциальные, по­верхности, т. е. с термодинамических позиций (макросостоя­ния) все точки поверхности жидкости энергетически эквива­лентны.

Поверхность твердого тела в отличие от поверхности жид­кости в течение долгого времени может оставаться такой же, какой она была в момент образования. Вместе с тем многие твердые тела обладают пластическими свойствами и при опре­деленных условиях могут течь. Таким образом, они могут ха­рактеризоваться гак же, как и жидкости, объемной и поверх­ностной подвижностью. Времена жизни молекул и атомов на поверхности твердых тел очень сильно различаются для легко­плавких и тугоплавких веществ. Для тугоплавкого вольфрама при комнатной температуре время жизни атомов на поверхно­сти составляет л; Ю32 с. Практическая неподвижность атомов и молекул в тугоплавких телах, хотя они и колеблются около положения равновесия, обусловливает неизменность формы их поверхности во времени. Поверхность твердого тела редко бы­вает эквипотенциальной. Очевидно, что межфазную поверхность твердое тело — жидкость определяет профиль поверхности твердого тела. Поверхностный слой на межфазных границах имеет одну часть в первой фазе, другую — во второй.

Уравнением (1.1) поверхностная энергия была представле­на в виде произведения поверхностного натяжения на площадь поверхности, т. е. соответственно фактора интенсивности на фактор емкости. Рассмотрим несколько подробнее геометриче­ские параметры поверхности. Удельная поверхность тела опре­деляется отношением площади его поверхности Si.2 между фа­зами 1 и 2 к объему тела V:

Sya = sll2/V (П. І)

Это соотношение будет определять и удельную поверхность дисперсной системы. Общая поверхность между фазами может быть отнесена к дисперсной фазе или к дисперсионной среде.

Рис. ПЛ. Зависимость удельной поверхности 5УД дисперсных систем от размера частиц а и дисперс­ности D

О, а

Обычно при определении удельной поверхности дисперсной си­стемы ее относят к объему дисперсной фазы. Формула (11.1) справедлива для систем с частицами разных и одинаковых размеров.

Дисперсные системы с одинаковыми по размеру частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинако­выми по размеру частицами — полидисперсными. Реальные си­стемы, как правило, полидисперсны.

Если общие поверхность и объем дисперсной фазы монодис­персной системы выразить через поверхность и объем отдель­ных частиц (средние значения), то число частиц будет входить и в числитель, и знаменатель уравнения (Н.1). Поэтому удель­ную поверхность монодисперсной системы можно определить,, зная только размер отдельной частицы.

Например, для систем кубических частиц с размером ребра I и сферических диаметром D имеем:

Sy« = Si,2/K=6f2A3,=6/f, syn = sll2/K=nd2/(V6JK/3)=6/Ј/ (II.2)’

Или в общем виде можно записать

Sya = k/a = kD (II.3)

Где k — коэффициент формы частиц.

Из уравнения (II.3) следует, что удельная поверхность дис­персной системы обратно пропорциональна размеру частиц а и прямо пропорциональна дисперсности D (рис. II.1). Часто удельную поверхность относят к массе т дисперсной фазы (или дисперсионной среды), и тогда необходимо учитывать, плотность вещества р:

SyH = Si,2//rc=s1,z/(Vp) (II.4)’

Для сферических частиц 5уд = 6/(^р).

Изменение удельной поверхности с изменением дисперсно­сти (размера) существенно зависит от формы частиц. Из при­меров, приведенных на рис. II.1, при А^>а следует:

ДЛЯ ПЛЄИКН 5уд— 2/У=2Л2/(Л2а)=2/а для бруска sya=sh2/V=4Aa/{Aaz)=4/a (II.5)

Для куба sya = s1,2/V=6a2/a3=6/a

В этом ряду указанная зависимость увеличивается: возрастает коэффициент формы.

Более конкретной характеристикой дисперсности является кривизна поверхности, определяемая производной площади по­верхности по объему:

H^hds/dV (11.1)5

Эту величину удобно применять для характеристики поверхно­стей неправильной формы. Найдем эту производную для сфе­рической частицы радиусом г.

TOC o "1-3" h z S = 4 яг2; rdr- V=y Зяг3; dV=4 nr2dr ЦІ.7)

Ds 8jt rdr 2 і

DV ^ 4nr*dr = r : r

Для нити цилиндрической формы длиной І имеем:

S = 2ro-f; ds*=2nldrr V=nr4; dV=2nlrdr (II.8)

Ds ^ 2л/ Rfr J_ і

rfV ~ 2rtfrrfr = г ; Я==3 2r

Если частица имеет неправильную форму, то для определения

Кривизны ее поверхности в данной точке пользуются уравне­нием:

Н^’/,Ч/г{+1/г2) III.9)

Где г, и г2 — радиусы окружностей, полученных при прохождении через по­верхность и нормаль к ней в данной точке двух перпендикулярных плос­костей.

Кривизна может быть положительной и отрицательной. Если центр окружности находится внутри тела, кривизна по­верхности которого определяется, то она положительна, если центр окружности вне этого тела, то кривизна отрицательна.

При дроблении и измельчении тел увеличивается их удель­ная поверхность, которая может достигать значительных вели­чин. Расчетные данные табл. II. 1 иллюстрируют резкое возрас­тание удельной поверхности тела объемом 1 см3 при его из­мельчении на равновеликие кубики.

Размеры молекул обычно составляют доли нанометра; раз­меры частиц гетерогенных дисперсных систем могут достигать

Таблица 11.1. Удельная поверхность кубических тел в зависимости от степени измельчения

Удельная поверхность. см2/см3

Единиц нанометра. Таким образом, удельная поверхность мо­жет иметь значения, достигающие тысячи квадратных метров на кубический сантиметр (или грамм) дисперсной фазы.