Физико-хімічна механіка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Физико-хімічна механіка

Физико-хімічна механіка, розділ сучасною колоїдній хімії, що вивчає залежність структурно-механічних властивостей дисперсних систем і матеріалів від физико-хімічних явищ на поверхнях розділу фаз ( поверхневих явищ ) . Ф.-х. м. виникла в 30–40-х рр. 20 ст і оформилася як самостійна наукова дисципліна в 50-х рр. переважно завдяки роботам сов.(радянський) учених, раніше всього П. А. Ребіндера . Ф.-х. м. тісно пов'язана з ін. областями колоїдної хімії (вченням про поверхневі явища і поверхневі сили, фізіко-хімією адсорбції і поверхнево-активних речовин, дослідженнями стійкості дисперсних систем, молекулярно-кінетичних, оптичних, електричних властивостей дисперсних систем), а також з молекулярною фізикою, фізикою і фізіко-хімією реального твердого тіла, фізіко-хімією полімерних матеріалів, реологією, механохімією, з рядом розділів геологічних і біологічних наук.

загрузка...

  Об'єкти вивчення Ф.-х. м. – природні дисперсні системи (гірські породи і грунти, тканини рослин і тварин), дисперсні системи в різних технологічних процесах ( порошки, пасти, суспензії наприклад промивальні розчини для буріння, емульсії, рідини, що змащувальний-охолоджують ) і всілякі матеріали, використовувані в промисловості (інструментальні, конструкційні, будівельні) і в побуті. Ф.-х. м. розглядає характерне для цих систем і матеріалів гетерогенне макро- або неоднорідна будова, в якій виявляється універсальність дисперсного стану речовини. Такі системи і матеріали складаються із зв'язаних між собою часток (глобул, зерен, волокон і ін.), вельми всіляких по розмірах, але окремих молекул, що істотно перевищують розміри, і що зберігають все основні физико-хімічні, у тому числі механічні, властивості даної речовини.

  Ф.-х. м. розрізняє наступних основних типів просторових структур, що утворюються частками, в різних физико-хімічних умовах. Коагуляційні структури, в яких взаємодія часток обмежується їх зіткненням, – безпосереднім (наприклад, в сипких структурах) або через залишкові шари дисперсійного середовища (у суспензіях і пастах); при цьому сила зчеплення в контакті (міцність) не перевершує зазвичай 10 -8 –10 -7 н (10 -3 –10 -2 дінів ) . Для таких структур характерна механічна оборотність, що обумовлює, зокрема, їх тиксотропію . Структури з фазовими контактами, розвиненими на площі, що значно перевершує молекулярні розміри. Ці структури, як правило, механічно необратіми, міцність контактів в них 10 -7 –10 -6 н (10 -2 –10 -1 дінів ) і вище. Фазові контакти розвиваються в різних неорганічних і органічних, кристалічних і аморфних дисперсних системах і матеріалах при спіканні, пресуванні, ізотермічній перегонці, а також при виділенні нової, високодисперсної фази в пересичених розчинах і розплавах, наприклад в мінеральних терпких і полімерних матеріалах; суцільні матеріали, зокрема метали і сплави, можна розглядати як граничний випадок повного зрощення зерен. Кожна структура характеризується певною дисперсністю: розміром часток і отже, числом контактів на 1 см 2 перетину, який складає, наприклад, 10 2 –10 3 для порошків з частками в десяті долі мм і досягає 10 11 –10 12 для таких високодисперсних систем, як алюмосилікагелі. Ф.-х. м. розглядає механічні (реології) властивості – найбільш загальні і важливі характеристики всіх дисперсних систем і матеріалів залежно від їх структури обумовленою взаємодією часток; такі в'язкість, пластичність, тиксотропна поведінка коагуляційних структур з певною залежністю опору зрушенню від швидкості течії, пружно-пластична і пружно-крихка поведінка твердообразних дисперсних систем і матеріалів (з фазовими контактами), що характеризуються певною міцністю, довговічністю, зносостійкістю. Так, в простому випадку глобулярної пористої монодисперсної структури міцність може бути приблизно дорівнює твору числа контактів між частками (на 1 см 2 і середньої величини сили зчеплення в окремому контакті, змінюючись залежно від типа контактів і дисперсності в дуже широких межах (наприклад, від 10 до 10 8 н/м 2 .

  В той же час Ф.-х. м. встановлює визначальну роль физико-хімічних явищ на кордонах розділу фаз (змочування, адгезія, адсорбція, зміна величини міжфазного натягнення, утворення особливих граничних шарів) у всіх процесах взаємодії часток і структуроутворення. На цій основі Ф.-х. м. розвиває свої провідні уявлення про можливість і ефективність управління структурно-механічними властивостями дисперсних систем і матеріалів при оптимальному поєднанні механічних дій (наприклад, вібраційних, імпульсних) і физико-хімічних чинників, перш за все складу середовища і малих добавок поверхнево-активних речовин. Останні, концентруючись на кордонах розділу (адсорбуючись на поверхні часток), дозволяють при правильному їх виборі радикально змінювати властивості даного кордону в потрібному напрямі, забезпечуючи хороше зчеплення часток, або, навпаки, ослабляючи і долаючи сили зчеплення. Так, в ліофобних системах (скляні частки у вуглеводневих середовищах, гидрофобізованниє поверхні в полярних рідинах і ін.) вільна енергія досягає в коагуляційних контактах десятків ерг/см 2 , а в ліофільних системах (наприклад, гидрофобізованниє моношарами поверхнево-активних речовин полярні частки у вуглеводневому середовищі) складає соті долі ерг/см 2 .

  Відповідно до явищ і процесів, даними Ф.-х. м., можна виділити наступні її основні напрями: 1) вивчення виникнення і руйнування всіляких просторових структур як взаємодії часток дисперсної фази і дисперсійного середовища, включаючи і різні етапи здобуття матеріалів (у тому числі композиційних) із заданий дисперсною структурою і сукупністю механічних і физико-хімічних характеристик; 2) дослідження физико-хімічного впливу середовища і її поверхнево-активних компонентів на механічні властивості всіляких суцільних і пористих твердих тіл і матеріалів ( Ребіндера ефект ), з'ясування умов використання ефекту Ребіндера для полегшення обробки матеріалів і запобігання його можливому шкідливому впливу; 3) аналіз закономірностей і механізму зчеплення поверхонь твердих тіл (контактних взаємодій) в умовах граничного тертя, зносу, що змащує дії, формування покриттів і ін.

  Для Ф.-х. м. характерний всестороннє вивчення характеристик структурних реологій (особливо нелінійних) дисперсних систем при широкому варіюванні умов: напруженого стану, температури, складу середовища, пересичень і др.; безпосереднє експериментальне вивчення елементарних актів при контактних взаємодіях; всілякі механічні випробування твердих тіл і матеріалів в активних середовищах; використання математичного моделювання і чисельних методів для опису властивостей реологій дисперсних систем і для аналізу молекулярного механізму впливу середовища.

  На основі загальних принципів Ф.-х. м. розроблені методи диспергування і управління властивостями дисперсних систем і різних матеріалів, широко використовувані: 1) у гетерогенних химіко-технологічніх процесах (наприклад, при виробництві паперу, в текстильній і лакофарбній промисловості, при здобутті тесту і кондитерських мас, паливних композицій і др.); 2) при приготуванні всіляких матеріалів, наприклад кераміки, каталізаторів і сорбентів, всіляких полімерних матеріалів, при зачинненні цементного розчину, підготовці асфальтобетону, формувальних земель, складанні композицій в порошковій металургії, закріпленні грунтів. 3) для полегшення процесів помелу, буріння твердих гірських порід, подрібнення руди перед збагаченням, обробки різанням; і навпаки, для підвищення стійкості і довговічності конструкційних і ін. матеріалів в активних середовищах; 4) для оптимізації контактних взаємодій, наприклад при обробці металів тиском, при експлуатації вузлів тертя в машинах, механізмах і приладах.

  Літ.: Ребіндер П. А., Физико-хімічна механіка, М., 1958; Ліхтман Ст І., Щукин Е. Д., Ребіндер П. А., Физико-хімічна механіка металів, М., 1962; Физико-хімічна механіка дисперсних структур. Сб., М., 1966; Успіхи колоїдній хімії, М., 1973.

  Е. Д. Щукин.