Агрегативная устойчивость дисперсных систем

Коагуляции

Аграгативная устойчивость характеризует способность системы противодействовать укрупнению частиц дисперсной фазы. Для высокодисперсных систем характерно равномерное распределение частиц по всему объему длительное время, то есть они устойчивы к седиментации, потому что соотношение сил тяжести и сил диффузии в них уравновешено. Однако как для грубо-, так и для высокодиспсрсных лиофобных систем может быть характерна агрегативная неустойчивость. Они не могут существовать без наличия в системе стабилизатора. Агрегативная устойчивость (как и седиментационная) определяет срок хранения и качество многих веществ и материалов, в том числе и пищевых продуктов.

Как известно, дисперсные системы подразделяются на лиофильные, которые получаются при самопроизвольном диспергировании одной из фаз, и лиофобные. Последние получаются при диспергировании гетерогенной свободнодисперсной системы. Лиофобные системы обладают избытком поверхностной энергии, если она нс скомпенсирована введением специального вещества — стабилизатора. В таких системах самопроизвольно идут процессы укрупнения частиц и системы являются агрегативно неустойчивыми.

Кроме критерия лиофильности по уравнению (5.1) использование условия AG < 0 или AG > 0 по Рсбиндсру позволяет провести достаточно четкую количественную границу между двумя классами дисперсных систем — лиофильных и лиофобных.

Несмотря на термодинамическую неустойчивость при AG > 0 многие лиофобные коллоидные системы оказываются устойчивыми кинетически, нс изменяясь заметно в течение длительного времени (иногда десятилетиями). Очевидно, что эти системы существуют в метастабильном состоянии, то есть потенциальный барьер, который препятствует агрегации частиц, достаточно высок.

Наблюдаемая долговечность многих лиофобных систем свидетельствует о том, что наряду с ван-дер-ваальсовыми силами притяжения между частицами в системе существуют и силы отталкивания или эффекты, экранирующие притяжение.

В кинетически устойчивых гидрофобных системах наблюдается заметный электрофорез. Прекращение его по тем или иным причинам приводит к немедленной коагуляции; увеличение концентрации сильного электролита, уменьшающее и у/^ -потенциал, и ^-потенциал, также приводит к коагуляции. Это свидетельствует об электрической природе сил отталкивания в типичных гидрофорбных системах.

Агрегативная устойчивость обусловлена факторами, которые подразделяются на термодинамические (электростатический, адсорбционносольватный, энтропийный) и кинетические (структурно-механический и гидродинамический).

Термодинамические факторы связаны с величиной удельной поверхностной энергии и энтропией системы, а кинетические влияют на скорость столкновения частиц и зависят от вязкости и плотности дисперсионной среды. Для реальных систем обычно характерен смешанный фактор (действуют несколько факторов одновременно).

Каждому фактору устойчивости соответствует специфический метод нейтрализации (стабилизации системы), например, действие электростатического фактора значительно снижается при введении в систему электролитов. Выбор фактора стабилизации определяется свойствами дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Разрушение лиофобных дисперсных систем идет за счет приводящих к уменьшению свободной энергии системы процессов: изотермической перегонки от малых частиц к более крупным, коалесценции (слияния частиц) и коагуляции (агрегирования частиц при их слипании).

Один из возможных механизмов укрупнения частиц — коагуляция. Коагуляция — процесс слипания или слияния частиц коллоидной системы. В более узком смысле каогуляцией называется процесс слипания, а слияние частиц называется коалесценцией. Коагуляция сопровождается нарушением агрегативной устойчивости системы.

Некоторые авторы дают такое определение каогуляции, под которое попадают все процессы, сопровождающие потерю агрегативной устойчивости, несмотря на то, что механизмы процесса могут быть различными.

Потеря агрегативной устойчивости для системы может закончиться как разрушением системы, так и образованием в ней структур, то есть структурообразованием (последнее характерно и для лиофильных дисперсных систем при высоких концентрациях). Считается, что структуро- образование, протекающее в системах при больших концентрациях дисперсной фазы, является важнейшим проявлением процесса коагуляции.

Оба процесса — разрушение и сгруктурообразование — протекают в два этапа.

Первый этап коагуляции состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки среды. В результате образуются флокулы — агрегаты из нескольких частиц, разделенных прослойками среды, или коагуляционные структуры, отличающиеся подвижностью частиц относительно друг друга под действием сравнительно небольших нагрузок (места контактов разделены прослойками среды). Процесс соответственно называется флокуляцией при разрушении. При структурообразо- вании аналогичный процесс называется коагуляционным структурированием (структурообразованием).

Первый этап и том, и в другом случае обратим. Обратный процесс образования устойчивой свободнодисперсной системы из осадка или геля (структурированной дисперсной системы) называется пептизацией.

Коагуляционные структуры характеризуются повышенной вязкостью и пластичностью, они обладают тиксотропными свойствами — способностью восстанавливать структуру после механического воздействия.

Второй этап — это более глубокий процесс коагуляции, который приводит к разрушению прослоек среды и непосредственному контакту частиц. В итоге или образуются жесткие aiperaTbi из твердых частиц или происходит полное слияние их в системах с жидкой или газообразной дисперсной фазой. В концентрированных системах образуются жесткие объемные конденсационные структуры твердых тел, которые снова превратить в свободнодисперсную систему можно только с помощью диспергирования.

В исходно седиментационно-устойчивых свободнодисперсных системах коагуляция частиц дисперсной фазы, так же как и их укрупнение вследствие последующей коалесценции или изотермической перегонки, может привести к потере системой седименгационной устойчивости. Вместе с тем, коагуляция может и не сопровождаться видимым седиментаци- онным расслоением системы. Это наблюдается в тех случаях, когда агрегирование частиц приводит к развитию сплошной пространственной сетки частиц, заполняющей весь объем системы, то есть к образованию связно- дисперсной системы — геля.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >