Структурообразование в дисперсных системах

В зависимости от наличия взаимодействия между частицами дисперсные системы разделяют на свободнодисперсные и связнодисперсные.

Свободнодисперсные системы – это бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы почти не связаны друг с другом и способны независимо перемещаться под влиянием теплового движения или силы тяжести. Это приводит к тому, что они не оказывают сопротивления сдвиговому усилию и обладают теми физическими свойствами, которые присущи дисперсионной среде. Например, аэрозоли способны к безграничному расширению, лиозоли обладают текучестью и т.д. К свободнодисперсным системам относятся лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии, аэрозоли.

Связнодисперсные системы обладают определенной структурой; частицы связаны между собой, не способны к взаимному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения. К связнодисперсным системам относятся гели, концентрированные суспензии (пасты) и эмульсии, порошки.

Если дисперсионной средой является жидкость, существуют и переходные системы, отдельные частицы которых связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры.

Со структурой дисперсных систем тесно связаны структурно-механические свойства (реологические) – вязкость, пластичность, упругость, прочность. Изучение реологических свойств позволяет определить характер структуры дисперсной системы. Кроме того, знание реологических свойств, позволяет предсказывать поведение дисперсных систем при их практическом использовании.

Связно-дисперсные системы
 
Можно выделить два вида структур в коллоидных и микрогетерогенных системах:
- коагуляционные (тиксотропно-обратимые),
- конденсационно-кристаллизационные (необратимо разрушающиеся).

Коагуляционные структуры обычно возникают в результате потери агрегативной устойчивости дисперсных систем. Например, гелеобразование – это переход коллоидной системы из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное состояние (гель). При этом процессе только часть поверхности частиц теряет стабильность и слипается. В результате частицы образуют пространственную сетку, в петлях которой находится дисперсионная среда. Наличие такой жидкостной прослойки между частицами обуславливают меньшую прочность структуры, но зато придают ей пластичность, а в некоторых случаях и эластичность. Коагуляционные структуры имеют золь Fe(OH)3, суспензии глин, минеральные краски.

Гелеобразованию способствуют высокие концентрации дисперсной фазы, повышение температуры (однако при слишком высокой температуре структура может разрушаться). Перемешивание обычно мешает гелеобразованию. Однако при медленном вращении дисперсной системы наблюдается ускорение гелеобразования; это явление названо реопексией.

Коагуляционные структуры непрочны, т.к. образованы за счет сравнительно слабых ван-дер-ваальсовых связей или водородной связи. При механическом воздействии они легко разрушаются, но способны самопроизвольно восстанавливаться после прекращения воздействия. Это явление называют тиксотропией. Коагуляционные структуры, пластичны, иногда эластичны, обладают свойством ползучести (т.е способны к медленному развитию значительных остаточных деформаций). Для коагуляционных структур характерно самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением наружу дисперсионной среды (явление синерезиса). Синерезис подобен коагуляции и ему благоприятствуют все факторы, способствующие коагуляции. Для коагуляционных систем возможно явление набухания – увеличение размеров геля с поглощением дисперсионной среды.

Конденсационно-кристаллизационные структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами, либо вследствие сращивания кристалликов, возникающих в процессе выкристаллизации новой фазы. Такие структуры не могут проявлять тиксотропии, синеризировать и набухать; они непластичны, но более прочны, чем коагуляционные структуры. В качестве примера конденсационно-кристаллизационных структур можно привести цементы, гели кремневой кислоты.