Физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов. Фундаментальные аспекты, технологические приложения

Н.Б. УРЬЕВ





                ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ




ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ







л

                                                  Издательский Дом
                                                  ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

Н.Б. Урьев
  Физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов. Фундаментальные аспекты, технологические приложения: Учебное пособие /Н.Б. Урьев — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 232 с.: цв. ил.
  ISBN 978-5-91559-156-0

  Учебное пособие посвящено новой быстро развивающейся области физической химии и химической технологии дисперсных систем и материалов — физико-химической динамике. В отличие от традиционного подхода к изучению дисперсных систем и образуемых в результате их отверждения дисперсных материалов преимущественно в статических условиях, в предлагаемой читателю книге впервые теоретически и экспериментально обоснован и реализован принципиально новый подход к процессам структурообразования в дисперсных системах и «синтеза» на их основе материалов в динамических условиях.
  В основе этого подхода лежит изучение динамики контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз в жидких и газовых дисперсионных средах, процессов структурообразования и разрушения дисперсных структур в динамических условиях, преимущественно при осцилляции, в сочетании с введением добавок различных видов поверхностно-активных веществ. Теоретически обоснованы и экспериментально определены оптимальные параметры сочетания механических воздействий и добавок поверхностно-активных веществ, обеспечивающие максимальную текучесть высоконаполненных и высокодисперсных (включая нанодис-персные) систем. Это позволяет на порядки величин интенсифицировать разнообразные процессы, осуществляемые с участием дисперсных систем при одновременном снижении энергоёмкости этих процессов. При этом обеспечивается максимально высокая степень однородности образующихся структур в дисперсных системах и материалах.
  В учебном пособии представлены методы структурной виброреологии, осуществлено аппаратурное оформление ряда технологических процессов, в том числе с переходом от периодических к непрерывным высокоскоростным методам получения дисперсных систем и материалов.
  Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, научных работников и инженеров, работающих в прикладных областях, связанных с разработкой и применением дисперсных систем и материалов для дорожного строительства, энергетики, химических технологий и ряда отраслей промышленности.






ISBN 978-5-91559-156-0

            © 2013, Н.Б. Урьев
            © 2013, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие автора....................................7
Предисловие...........................................9
Введение............................................. 12

Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................... 16
   Список литературы.................................25
   Вопросы...........................................26

Глава 2
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ И МАТЕРИАЛАХ.........................................27
   2.1. Типы контактов между частицами в дисперсных системах и материалах.............................27
   2.2. Критерии образования дисперсных структур.....32
       2.2.1. Характерный критический размер частиц. 32
       2.2.2. Концентрационный фактор и прочность коагуляционных структур...................... 37
       2.2.3. Временной фактор прочности контактов и дисперсных структур..................................... 42
   Список литературы.................................50
   Вопросы...........................................51

—I Оглавление

Глава 3

ДИНАМИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССАХ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................52
    3.1. Динамическое состояние дисперсных систем...........52
    3.2. Динамика контактных взаимодействий в дисперсных системах................................................59
        3.2.1. Неравновесность как важнейшая особенность динамики контактных взаимодействий .......................... 59
        3.2.2. Динамика контактных взаимодействий в двухфазных дисперсиях типа: твердая фаза—жидкая дисперсионная среда (Т—Ж-системы) ................................ 60
        3.2.3. Элементы динамики контактных взаимодействий в высокодисперсных порошках....................... 68
        3.2.4. Динамика контактных взаимодействий в трехфазных системах.......................................... 70
    Список литературы......................................76
    Вопросы................................................77

Глава 4
РЕОЛОГИЯ, ВИБРОРЕОЛОГИЯ И СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ........................78
    4.1. Реология и виброреология двухфазных дисперсных систем.................................................78
        4.1.1. Основы реологии и виброреологии двухфазных Т—Ж-систем: паст и суспензий ..................... 80
        4.1.2. Основные методы и приборы для измерения реологических свойств Т—Ж-систем.................. 80
        4.1.3. Динамические режимы нагружения............. 89
        4.1.4. Полная реологическая кривая течения дисперсных систем.............................................. 91
        4.1.5. Реология и виброреология структурированных минеральных суспензий............................... 94
        4.1.6. Поверхностно-активные вещества в динамических процессах........................................ 105
        4.1.7. Виброреология и структурообразование битумно-минеральных композиций................... 112
        4.1.8. Динамика двухфазных дисперсных Ж—Ж-систем-эмульсий.............................. 123
        4.1.9. Течение и растекание двухфазных Т—Ж-систем по твердым поверхностям.......................... 128

Оглавление —I 5

   4.2. Виброреология и текучесть порошкообразных материалов........................................... 137
   Список литературы.................................... 145
   Вопросы.............................................. 148

Глава 5
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, РЕОЛОГИЯ И ВИБРОРЕОЛОГИЯ ТРЕХФАЗНЫХ Т-Ж-Г-СИСТЕМ................ 149
   5.1. Кинетика процессов структурообразования в трехфазных дисперсных системах в динамических условиях
       (при вибрации) в процессе смешения............... 149
   5.2. Структурообразование и реология трехфазных Т-Ж—Г-систем в процессах уплотнения.................. 179
   Список литературы.................................... 187
   Вопросы.............................................. 188

Глава 6
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ
ДИНАМИКИ В ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МАТЕРИАЛОВ........................................... 190
   6.1. Общие принципы.................................. 190
   6.2. Технология дисперсных систем.................... 193
       6.2.1. Трубопроводный гидротранспорт высококонцентрированных суспензий ...............193
            6.2.1.1. Безотходная технология добычи руды с заполнением пустот горных выработок твердеющей смесью высокодисперсной пустой породы, цемента, воды и добавок ПАВ.......... 193
            6.2.1.2. Технология приготовления и гидротранспорта высококонцентрированных водоугольных суспензий ................................... 194
            6.2.1.З. Технология приготовления многокомпонентных высокодисперсных агрегативно- и седиментационно устойчивых дисперсий......................... 198
            6.2.1.4. Предотвращение слеживаемости гигроскопичных порошкообразных материалов................... 202
   6.3. Дисперсные композиционные материалы.............204
       6.3.1. Дисперсные материалы гидратационного твердения........................................ 204

Оглавление.

6

        6.3.2. Абразивные материалы как пример высоконаполненных высокодисперсных композитов....................... 209
        6.3.3. Новый вид композиционного материала для дорожного строительства — асфальтобетон с нанодисперсным и полимерным компонентами ........................ 212
        6.3.4. Эффект воздействия вибрации на кристаллизационную структуру, наполненную полимерную композицию и волокнистые материалы .......................... 215
    Список литературы.....................................217
    Вопросы...............................................218
Заключение................................................220
Отзывы................................................... 223
Приложение................................................225

        ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА










             Учебное пособие обобщает многолетние исследования автора в новой области физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений — физико-химической динамики дисперсных систем и материалов. Этому новому направлению посвящены исследования автора в созданной в 1985 г. в Институте физической химии АН СССР лаборатории высококонцентрированных дисперсных систем.
     Отличительная особенность обобщенных и представленных в книге исследований автора и возглавляемой им лаборатории состоит в том, что в течение многих лет разработки фундаментального характера реализовывались во многих прикладных областях техники и технологии. Более того, целый ряд фундаментальных исследований явились следствием и инициировались проблемами технологии разнообразных дисперсных систем и материалов.
     Начальная стадия исследований автора связана с его многолетней работой в отделе дисперсных систем ИФХ АН СССР, возглавлявшемся академиком П.А. Ребиндером.
     Широта его научных интересов, многообразие применения результатов его исследований в различных областях, в том числе прикладных разработках, послужили для автора хорошим примером в научной деятельности. Вместе с тем, многолетний опыт чтения автором лекций в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) также способствовал применению разработок фундаментального характера во многих областях техники и технологии.
     Существующий в настоящее время, зачастую значительный, разрыв между результатами фундаментальных исследований и их практической реализацией в технологии дисперсных систем и материалов является, по мнению автора, главным препятствием на

—I Предисловие автора

  пути перехода на новый качественно более высокий уровень решения технологических проблем в этой области.
       Именно поэтому в этой книге поставлена цель: обосновать необходимость и показать принципиальную возможность устранения этого разрыва, а также сформулировать и реализовать пути и методы решения этой проблемы на примере технологии разнообразных дисперсных систем и материалов.
       Автор признателен за поддержку своим коллегам по работе, своей семье, а также Кульковой Т.А. за помощь в оформлении книги.

        ПРЕДИСЛОВИЕ










               Учебное пособие Н.Б. Урьева является первой книгой в новой области физической и коллоидной химии — физико-химической динамики дисперсных систем и материалов, развитой автором в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физической химии и электрохимиии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН).
       Существенно важная особенность этого нового направления в физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений состоит в том, что представленные в ней результаты многолетних фундаментальных исследований автора теснейшим образом связаны с решением проблем современной химической технологии дисперсных систем и материалов во многих областях.
       Установленные автором экспериментально и теоретически обоснованные фундаментальные закономерности динамики контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз, новое представление в области реологии и виброреологии дисперсных, и в том числе, нанодисперсных систем, открытое им явление сверхтекучести дисперсных систем и разработка методов ее достижения — реализованы более чем в 15 областях техники и технологии.
       Это позволило во многих случаях кардинально изменить традиционные представления в этих областях и перейти на качественно новый уровень технологических решений.
       В числе этих разработок создание новых эффективных материалов на основе минеральных вяжущих, широко внедренные в промышленность и строительство, материалы на органическом связующем с нанодисперсным и полимерным компонентами; технология трубопроводного гидротранспорта высококонцентрированных суспензий, методы интенсификации и оптимизации ряда химико-технологических процессов в кипящем слое, высокоскорос

¹⁰ -V

Предисловие

    тных процессов перемешивания многокомпонентных дисперсных систем, микрокапсулирования и целый ряд других областей.
     Несомненное достоинство этих разработок состоит в том, что возникшие в процессах их реализации задачи и проблемы фундаментального характера были решены и успешно решаются в настоящее время Н.Б. Урьевым и возглавляемым им коллективом сотрудников в Лаборатории высококонцентрированных дисперсных систем ИФХЭ РАН.
     Результаты этих разработок автора были отмечены Премией Совета Министров РФ, Ребиндеровской премией РАН, Виноградовской премией, международной премией МАИК Наука и рядом других.


  Президент Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, директор ИФХЭ РАН, академик РАН

А.Ю. Цивадзе