Элементы физикохимической механики

1. Основы физико-химической
механики
задача физико-химической механики
состоит в получении материалов с
заданными свойствами и научном
обосновании оптимальных
технологических решений

2. Физико-химическая механика
• раздел современной коллоидной химии,
изучающий зависимость структурно-
механических свойств дисперсных систем и
материалов от физико-химических явлений
на поверхностях раздела фаз

3. Структурно-механические (реологические)
свойства дисперсных систем
• вязкость
• пластичность
• упругость
• прочность

4. Классификация дисперсных систем
по наличию взаимодействия между частицами
свободнодисперсные
• бесструктурные системы, в
которых частицы дисперсной
фазы почти не связаны друг с
другом и способны
независимо перемещаться
под влиянием теплового
движения или силы тяжести
– аэрозоли
– лиозоли
– разбавленные суспензии и
эмульсии
связнодисперсные
• обладают определенной
структурой; частицы
связаны между собой, не
способны к взаимному
перемещению и могут
совершать лишь
колебательные движения
– гели
– порошки
– концентрированные
суспензии (пасты) и
эмульсии, порошки.

5. Структура
• пространственный каркас, образованный
связями атомов, ионов, молекул, мицелл,
кристаллитов и частиц коллоидных
размеров

6. Виды структур
в связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)
1. КОАГУЛЯЦИОННАЯ
• образована
межмолекулярным ван-
дер-ваальсовым
сцеплением беспорядочно
расположенных
коллоидных частиц через
тонкие прослойки
дисперсионной среды
коагуляционные контакты

7. Золь – гель переход
процесс превращения коллоидного раствора в гель,
протекающий при увеличении концентрации частиц
дисперсной фазы в золе или под влиянием иных
внешних воздействий (охлаждение, изменение pH,
ионной силы раствора)

8. Гель –
твердообразная коагуляционная структура
1 – частицы дисперсной
фазы (ДФ)
2 – точечные контакты
частиц ДФ
3 – участки поверхности,
сохранившие
агрегативную
устойчивость
4 – петли структуры,
заполненные
дисперсионной средой
(ДС)

9. Коагуляционная = тиксотропно-обратимая
• Тиксотропия - способность
коагуляционной структуры
уменьшать вязкость
(разжижаться) от механического
воздействия и увеличивать
вязкость (cгущаться) в состоянии
покоя
• грунты-плывуны
• бетонная смесь
• тиксотропные краски

10. Реологические свойства коагуляционных
структур
• невысокая прочность
• ползучесть (способность к медленному
развитию значительных остаточных
деформаций)
• структурная вязкость
• пластичность в пастах

11. Виды структур
в связнодисперсных системах (по П.А. Ребиндеру)
2. КОНДЕНСАЦИОННО-
КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ
• возникает либо в
результате образования
прочных химических
связей между частицами,
либо вследствие
сращивания кристалликов,
возникающих в процессе
кристаллизации новой
фазовый контакт

12. Реологические свойства
кристаллизационных структур
• высокая прочность
• хрупкость
• необратимое разрушение при
механическом воздействии
• отсутствие пластичности
• отсутствие тиксотропии

13. Пример 1. Твердение гипса

14. Пример 2. Твердение бетона
• бетонная смесь: цемент + заполнитель
(песок, гравий, щебень) + вода
1. Зерна цемента (алюминаты и силикаты
кальция) растворяются
– образуется пересыщенный раствор, из которого
выделяются менее растворимые
кристаллогидраты
1. Кристаллы срастаются и переплетаются,
связывая песок, гравий и щебень в монолит

15. Влияние поверхностных эффектов
на механические свойства
1. Эффект Иоффе (1923 г.)
– пластичность и прочность каменной соли
(NaCl) в воде ПОВЫШАЮТСЯ
– объяснение:
• удаление поверхностных микротрещин за счет
растворения поверхности образца (Иоффе)

16. • «между наблюдением
исключительной
прочности кристалла
каменной соли и
получением такой же
прочности
технических
материалов -
громадный путь...»

17. Влияние поверхностных эффектов
на механические свойства
2. Эффект Ребиндера (1928 г.)
– деформирование и разрушение твердых тел
при контакте со средой, содержащей ПАВ,
ОБЛЕГЧАЮТСЯ
– объяснение:
• понижение свободной поверхностной энергии
твердого тела при адсорбции ПАВ

18. Формулировка П.А. Ребиндера
• «эффект
адсорбционного
понижения прочности
твёрдого тела,
находящегося в
напряжённом
состоянии, вследствие
обратимой адсорбции
на его поверхности
частиц из
окружающей среды»

19. Внешний (а) и внутренний (б) эффекты Ребиндера

20. Эффект Ребиндера в полимерах: crazing