ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОУ ВПО  «Воронежский государственный технический  университет» 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных  технологий»

Тема  «Дисперсные материалы и их использование в технологиях» 
 
 

Выполнил студент  гр. ЭК-093 И.Н. Карзанов

Руководитель: И.Б. Корчагин

Члены комиссии 
 

Воронеж 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Дисперсные  системы - это микрогетерогенные  системы, состоящие из двух или более  фаз. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы  дисперсной фазы. Обычно интервал размеров частиц дисперсных фаз может изменяться от нескольких нанометров до ~100 мкм.

     В ряду объектов физической химии дисперсные системы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным  применением, исключительной ролью  в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи  с весьма специфическими физико-химическими  свойствами.

     К числу дисперсных систем относятся  столь резко различающиеся по химическому и фазовому составам, физическим свойствам, областям существования  и применения объекты, как аэрозоли (туманы, дымы, космическая пыль), золи металлов и природных минералов, донные отложения рек, морей и  океанов, грунты и почвы, мелкие пески, сырая нефть и природные битумы, пигменты и высокодисперсные наполнители  для лакокрасочных и композиционных материалов, керамические массы, цементы  и бетонные смеси на их основе, мука и мучное тесто, водоугольные суспензии  и золы от сжигания твердых топлив, водные суспензии целлюлозных волокон  для производства бумаги, катализаторные массы, сырьевые шламы многих химических производств. К дисперсным системам относятся также все многообразные  виды пен и эмульсий. Этот перечень можно продолжать, что указывает  на важное значение дисперсных систем как в природных явлениях, так  и при проведении разнообразных  технологических процессов, осуществляемых с их участием. К этому нужно  добавить, что многие виды дисперсных систем служат стартовой основой  для получения дисперсных материалов, таких, как бетоны, лакокрасочные  материалы, высоконаполненные резины и пластики, гетерогенные твердые ракетные топлива, керамические и металлокерамические материалы, бумага и картон, искусственные кожи и множество других материалов.

     Что же объединяет все это разнообразие резко различающихся между собой  по свойствам, области существования  и применения дисперсных систем и  материалов, какова общая физико-химическая основа для их изучения, описания и  регулирования свойств? В известной  степени ответы на эти вопросы  содержатся в самом определении  понятия "дисперсные системы". Общие  для всех дисперсных систем фундаментальные  физико-химические признаки: гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела  между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных  свойств дисперсных систем и прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивостей становится более  существенной по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера  частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно увеличивается и  свободная (избыточная) межфазная энергия, а эта энергия, как следует  из принципа Гиббса-Гельмгольца, в дисперсных системах стремится самопроизвольно  уменьшиться.

     Актуальность  темы «Дисперсные системы и их применение в технологиях» можно  объяснить необходимостью оптимизации процессов создания новых материалов, основанных на применении дисперсных систем.

     Целью данной работы является изучение теоретических  сведений о дисперсных системах, их строении, классификации и свойствах, а также об их применении в технологических процессах. В качестве примера рассматриваются твердые гетерогенные системы (карбон), газовые пены (пенопласт) и порошки (полипропилен) 
 

     1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 

     Кристаллы любого вещества, например, сахара или  хлорида натрия можно получить разного  размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для  данного вещества внутреннюю структуру  – молекулярную или ионную кристаллическую  решетку.

      При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия образуются соответственно молекулярные и ионные растворы. Таким  образом, одно и то же вещество может  находиться в различной степени  раздробленности: микроскопически  видимые частицы (>0,2-0,1 мм, разрешающая  способность глаза), микроскопически  видимые частицы (от 0,2-0,1 мм до 400-300 нм, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и  отдельные молекулы (или ионы). Постепенно складывались представления о том, что между  миром молекул и  микроскопически видимых частиц находится область раздробленности  вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации  вещества.

      Представим  себе кубик какого-либо вещества, который  будем разрезать параллельно  одной из его плоскостей, затем  полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние – на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) вещества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если длина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены сего помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400-300 нм до 1 нм – коллоидным состоянием вещества.

      Дисперсные  (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсионной фазы.

      Поскольку дисперсная (прерывная) фаза находится  в виде отдельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие  от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные  системы называют также ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз  не может быть обнаружена в световом микроскопе.

      Когда вещество находится в окружающей среде в виде молекул или ионов, то такие растворы называют истинными, т.е. гомогенными однофазными растворами.

      Обязательным условием получения дисперсных систем является нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Напри мер, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

      Дисперсные  системы классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности  взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

      Количественной  характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, D) – величина, обратная размеру (a) дисперсных частиц:

                                                                                                              (1)

     Здесь a равно диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок

     Степень дисперсности численно равна числу  частиц, которые можно плотно уложить  в ряд (или стопку пленок) на протяжении одного сантиметра. В табл. 1 приведены условно принятые границы размеров частиц систем с различной раздробленностью вещества.

     Таблица 1. Классификация корпускулярно-дисперсных систем по степени дисперсности

     Если  все частицы дисперсной фазы имеют  одинаковые размеры, то такие системы  называют монодисперсными (рис.1 а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис. 1, в)

Рис. 1 Свободнодисперсные системы.                                  Корпускулярно- (а-в), волокнисто- (г) и пленочно-дисперсные (д)                                                        

     С повышением дисперсности все большее  и большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению  с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность S_уд = S/V, которая для частиц сферической формы равна:

     S_уд = 4πr²/(4/3 πr³) = 3/r=6/d                                                         (2)

А для  частиц кубической формы

        S_уд =5l²/l³ = 6/l                                                                                  (3)

Где r – радиус шара, d – его диаметр, l – длина ребра куба

      Так, удельная поверхность вещества, раздробленного до микронных кубиков, составляет 6*10⁴ см^-1. При этом из 1 см³ образуется 10¹² микронных кубиков с суммарной поверхностью (S = S_уд * V), равной 6 * 10⁴ см² (6 м²). При дальнейшем дроблении 1 см³ вещества до кубиков коллоидной дисперсности, например, с длиной ребра l = 10^-6 см (10 нм), их число достигает 10¹⁸ частиц, суммарная поверхность – 6 * 10⁶ см² (600 м²), а удельная поверхность – 6 * 10⁶ см^-1.

      Следовательно, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

      Многообразие  дисперсных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При схематической записи агрегатного  состояния дисперсных систем первым называют буквами Г (газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсионной среды, затем ставят тире и записывают агрегатное состояние дисперсной фазы.

      Дисперсные  системы с газообразной дисперсионной  средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г₁ – Ж₂), а пыль и дым – аэрозоли с твердой дисперсной средой (Г₁ – Т₂); пыль образуется при диспергировании веществ, а дым – при конденсации летучих веществ.

      Пены  – это дисперсия газа в жидкости (Ж₁ – Г₂), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (Ж₁ – Ж₂). Низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях (Ж₁ – Т₂) называют суспензиями или взвесями, а предельно-высокодисперсные – коллоидными растворами или золями, часто лиозолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость (от греч. «лиос» - жидкость). Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость – органозолями.