Вопрос 2. Порошки, суспензии, пасты.

Порошки

При дроблении и измельчении твердых тел получа­ются дисперсные системы, которые принято называть порошками. Порошки — это грубодисперсные систе­мы, частицы которых имеют большие размеры ивидны визуально.

Многие вещества и материалы, применяемые в промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, а также многие пищевые продукты приготавливаются в виде порошков. Например, строительные материалы (цемент, алебастр, мел, известь), сухие краски, пигменты, лекарства, продовольственные товары (мука, крахмал, какао) и т. п.

В порошках дисперсная фаза — твердое вещество, а дисперсионная среда — газ.

Получают их, как, и коллоидные системы, методом конденсации и диспергирования. Например, осажденный мел, зубной порошок получается, по реакции:

Са (ОН)₂+ СО₂ → СаСО₃

Метод диспергирования основан на дроблении исходного сырья на различных мельницах. Например, порошки получают, сжигая металлы. Так, окись цинка (цинковые белила) получают, окисляя пары цинка, воздухом при 300 °С. Различные виды сажи получаются сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостаткекислорода.

  Важной характеристикой порошков является их дисперсность, и поэтому существует много методов определения размера частиц порошков. Наиболее распространен ситовой анализ, при котором порошок просеивают через набор сит с отверстиями различ­ных размеров.

  Характерной особенностью порошков является их свойство переходить в псевдоожиженное состояние. Если порошок поместить в сосуде с пористым дном, то, пропуская через него снизу воздух с постепенно увеличивающейся скоростью, можно изменить свойства порошка. При малых скоростях воздух проходит через порошок, не изменяя его объема. При достиже­нии определенной скорости воздуха слой порошка равномерно расширяется в результате того, что твер­дые частицы начинают интенсивно перемещаться от­носительно друг друга. По мере расширения слоя увеличивается его текучесть, т. е. порошок прибли­жается по этому свойству к жидкости. С увеличени­ем давления воздуха слой порошка становится по­хожим на кипящую жидкость, отчего и получил на­звание «кипящего слоя». Порошки в псевдоожиженном состоянии благодаря текучести легко переме­щаются по наклонной плоскости, что используется в промышленных транспортных желобах. Некоторые порошки переходят в текучее состояние при осторож­ном пересыпании. Однако для ряда порошков пере­сыпание приводит к образованию крупных, но не очень прочных сферических частиц — гранул. Более прочные гранулы получаются при механическом уплотнении предварительно увлажненных порошков или порошков, в которые добавлены склеивающие вещества.

Суспензии, пасты.

Суспензии— дисперсные системы сжидкой дисперсион­ной средой и твердой дисперсной фазой.

Примерами суспензий являются глинистые, цементные и известковые растворы, глины, масляные густотертые краски, крахмальное молоко, протертые супы, шоколад при температуре 350 °С представляет собой суспензию ча­стиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства и т. д.

В зависимости от относительного содержания диспер­сной фазы суспензии подразделяют на три типа: разбав­ленные, концентрированные и высококонцентрированные. Последние обычно называют пастами.

Суспензии могут быть получены диспергационными и конденсационными способами.

Вследствие больших размеров частиц дисперсной фазы в суспензиях отсутствует броуновское движение. Явле­ния диффузии и осмоса им также не свойственны. Про­хождение света не вызывает опалесценции, а проявляет­ся в виде мутности, так как световые луч» преломляются и отражаются частицами суспензии, а не рассеиваются. Суспензии седиментационно неустойчивы, их частицы оседают или всплывают в зависимости от плотности дисперсионной среды и дисперсной фазы. Суспензии одновременно поглощают и отражают свет, в проходящем свете они мутные.

 Не обладая седиментационно устойчивостью, суспензии могут быть устойчивы агрегативно, т.е. их частицы сохраняют постоянные размеры. Агрегативная устойчивость суспензий обусловлена тем, что их частицы имеют на поверхности двойной электрический слой или сольватную оболочку. Ме­ханизм образования двойного электрического слоя преимущественно адсорбционный, т. е. двойной слой формируется благодаря адсорбции на поверхности твердой частицы одного из ионов присутствующего в дисперсионной среде электролита. Значение элек­трокинетического потенциала суспензии близко к по­тенциалу золей, и агрегативная устойчивость в этом случае определяется электростатическим отталкива­нием одноименно заряженных частиц.

Седиментационная устойчивость обычно очень        мала          вследствие крупных частиц, а для достижения агрегативной устойчивости необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

  1. Смачиваемости поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой.

  2. Наличия стабилизатора.

  Добавляемый стабили­затор вводят в виде ионов, заряжающих я стаби­лизирующих частицы суспензии, или в виде ПАВ, либо в виде защитного высокомолекулярного со­единения. Если стабилизатор отсутствует, то ча­стицы смачиваются дисперсной средой и на их поверхности образуется оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соеди­нению частиц в крупные агрегаты.

Суспензии могут быть агрегативно устойчивы за счет образования сольватной оболочки частиц. В таких суспензиях частицы или сами хорошо сма­чиваются жидкой дисперсионной средой или свойст­во смачиваться придают им искусственно. В том и в другом случае на поверхности частиц суспензии образуется сольватная оболочка, обладающая упру­гими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты.

Примером агрегативно устойчивых суспензий с сольватационным механизмом устойчивости явля­ются суспензии кварца в воде и сажи в бензоле. Кварц хорошо смачивается водой, сажа — бензолом, и эти суспензии сохраняют агрегативную устойчивость без введения третьего компонента стабилизатора. Если размешать порошок сажи в воде, то полу­чается агрегативно неустойчивая система. Частицы сажи водой не смачиваются, поэтому гидратная оболочка на поверхности частиц не образуется и незащищенные частицы легко соединяются друг с другом.

Устойчивость такой суспензии можно придать, вводя в нее третий компонент — поверхностно-актив­ное вещество, растворимое в дисперсионной среде, Молекулы ПАВ, адсорбируясь на частицах угля (са­жи) своими неполярными группами, сообщают поверхности частиц свойство смачиваться водой, т. е. гидрофилизируют ее. Благодаря этому во­круг частиц образуются гидратные оболочки и тем самым обеспечиваетсяагрегативная устойчивость суспензии.

Устойчивую суспензию какого-либо полярного вещества, например кварца, в неполярной среде (бензоле) можно получить, если добавить в дисперсион­ную среду растворимое в ней ПАВ (стеариновую или олеиновую кислоту).

Вязкость разбавленных суспензий мало отлича­ется от вязкости дисперсионной среды.

Высококонцентрированные суспензии (пасты) имеют свойства структурированных систем и характеризуются высо­кой вязкостью.

Суспензии — очень распространенные дисперсные системы. К ним относятся глинистые, цементные и известковые «растворы», масляные краски.

Шоколад­ная масса при температуре несколько выше 35 ^оСпредставляет собой суспензию частиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле. В вы­сококачественном шоколаде основная часть твердой фазы должна состоять из частиц, размер которых не превышает 25 мкм.

Порошок какао, размешанный в воде, дает также суспензию.

Для придания лучшей устойчивости такой суспензии порошок какао обрабатывают щелочными растворами. В ре­зультате омыления жиров, входящих в состав какао-масла, на поверхности частиц какао осаждается не­большое количество солей жирных кислот, раствори­мых в воде, которые, являясь ПАВ, стабилизируют суспензию в воде.

Суспензия, в основном карбоната кальция, обра­зуется при очистке сока сахарной свеклы (диффу­зионного сока) путем последовательной обработки его раствором Са(ОН)₂ и диоксидом углерода.

Помадные массы кондитерского производства представляют собой высококонцентрированные су­спензии (пасты), твердой фазой в которых являются кристаллики сахарозы, а жидкой фазой — раствор сахарозы, глюкозы, мальтозы в воде. В готовой по­маде содержание жидкой фазы должно быть 40— 45%, твердой 55—60%, размер кристаллов — не больше 20 мкм.

Вязкость разбавленных суспензий мало отличается от вязкости дисперсионной среды, В высококонцентрирован­ных суспензиях (пастах) наблюдается структурирование, т. е. образование из частиц дисперсной фазы некоторой пространственной сетки, в петлях которой находится дисперсная среда.

Внешне это выражается чрезмерно боль­шой вязкостью и переходом при длительном покое в твер­дое состояние — гелеобразованием.