Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
В.Е. Данилов, М.В. Морозова, А.М. Айзенштадт
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ И НАНОРАЗМЕРНЫЕ ПОРОШКИ:
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ, ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТИ,
СМАЧИВАНИЕ
Учебное пособие
Архангельск
САФУ
2020
Стр.1
УДК 544.723
ББК 30.3
Д18
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова
Рецензенты:
В.В. Строкова, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
материаловедения и технологии материалов Белгородского государственного
технологического университета им. В.Г. Шухова, советник РААСН;
А.С. Князев, доктор химических наук, директор ООО «Инжиниринговый
химико-технологический центр», г. Томск
Данилов, В.Е.
Д18
Ультрадисперсные и наноразмерные порошки: взаимодействие частиц,
энергия поверхности, смачивание [Электронный ресурс]: учебное пособие /
В.Е. Данилов, М.В. Морозова, А.М. Айзенштадт; Сев. (Арктич.) федер. ун-т
им. М.В. Ломоносова. – Электронные текстовые данные. – Архангельск:
САФУ, 2020. – 95 с.
ISBN 978-5-261-01467-6
Рассмотрены основные теоретические положения явлений и процессов,
протекающих в тонкодисперсных системах. Представлены примеры проектирования
органоминеральных порошковых композиций, а также уделено внимание
вопросам физикохимии взаимодействия ультра- и наноразмерных частиц.
Предназначено для магистрантов, аспирантов и молодых ученых, занимающихся
исследованиями в области материаловедения, физической и коллоидной
химии и интересующихся вопросами физикохимии взаимодействия ультраи
наноразмерных частиц.
УДК 544.723
ББК 30.3
Издательский дом им. В.Н. Булатова САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56
ISBN 978-5-261-01467-6
© ДаниловВ.Е., Морозова М.В.,
Айзенштадт А.М., 2020
© Северный (Арктический) федеральный
университет им. М.В. Ломоносова, 2020
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................
1. УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ..............................
1.1. Факторы устойчивости ..........................................................................
1.2. Теория ДЛФО .........................................................................................
1.3. Потенциал притяжения Ван-дер-Ваальса ............................................
5
7
7
7
9
2. РАСЧЕТ СЭП ПО УГЛУ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ................. 22
2.1. Модели, учитывающие межфазное натяжение .................................. 23
2.2. Краевой угол и поверхностная энергия ............................................... 26
2.3. Метод Зисмана ....................................................................................... 28
2.4. Уравнение состояния ............................................................................. 31
2.5. Метод Фоукса ......................................................................................... 31
2.6. Расширенный метод Фоукса ................................................................. 33
2.7. Метод Оунса, Вендта, Рабеля и Кьельбле ........................................... 34
2.8. Метод Ву ................................................................................................. 37
2.9. Метод Шульца ........................................................................................ 39
2.10. Кислотно-основный метод по Оссу и Гуду ....................................... 42
3. ПРЕДСКАЗАНИЕ СМАЧИВАНИЯ: КРИВАЯ СМАЧИВАНИЯ .......... 44
3.1. Статический краевой угол .................................................................... 45
3.2. Динамический краевой угол ................................................................. 46
3.3. Наступающий угол ................................................................................ 46
3.4. Отступающий угол ................................................................................ 47
4. ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА СМАЧИВАНИЯ
ДЛЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ................................................. 48
4.1. Требования к используемой рабочей жидкости ................................. 49
4.2. Требования к условиям проведения испытаний (состояние
окружающей, искусственно создаваемой или моделируемой
среды и т.п.) ........................................................................................ 49
4.3. Требования к подготовке объекта испытаний .................................... 49
4.4. Требования к обслуживанию объекта испытаний .............................. 50
4.5. Требования к порядку работы на объекте испытаний
по завершении испытаний .................................................................... 51
4.6. Ограничения и другие указания, которые необходимо
выполнять на всех или отдельных режимах испытаний ................... 51
4.7. Методика измерения статических краевых углов на прямом
предметном столе ................................................................................... 51
4.8. Методика измерения ассиметричных статических краевых углов
на наклонном предметном столе .......................................................... 53
3
Стр.3
5. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФОРМЫ КАПЛИ ...................................................... 54
5.1. Тангентальные методы .......................................................................... 54
5.2. Метод высоты-ширины ......................................................................... 54
5.3. Метод сегмента (круга) ......................................................................... 55
5.4. Метод Юнга-Лапласа ............................................................................ 55
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВЫХ УГЛОВ СМАЧИВАНИЯ ПОРОШКОВ
МЕТОДОМ «SESSILE DROP» .................................................................... 56
7. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДИСПЕРСИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ
СОСТАВА БЕСЦЕМЕНТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО 64
8. ДИСПЕРСНОСТЬ И УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПОРОШКОВ ........ 68
9. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОРОШКАХ ..................................... 73
10. ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВ......................... 76
10.1. Электрические свойства нанодисперсных систем ........................... 76
10.2 Влияние электролитов на электрокинетический потенциал ............ 80
11 АДСОРБЦИЯ НА ПОРОШКАХ ................................................................ 81
11.1. Теоретические основы метода сорбции газов................................... 81
11.2. Определение удельной поверхности из изотерм в модели
Брунауэра– Эммета–Теллера ............................................................. 89
11.3. Сравнение одно- и многоточечного вариантов ................................ 92
11.4. Определение пористости ..................................................................... 94
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................... 94
4
Стр.4
ВВЕДЕНИЕ
Минеральные порошки представляют собой дисперсные системы, образующиеся
в процессе дробления и измельчения горных пород или отходов
промышленных производств, на поверхность которых затем могут наноситься
дополнительные вещества, изменяющие их физико-химические свойства.
Размер частиц порошков лежит, как правило, в пределах от 0,1 до 1000 мкм.
Применение данных материалов (в качестве сухих строительных смесей,
компонентов вяжущего, микронаполнителей, активных добавок и т.д.) является
основой практически всех отраслей строительства.
Порошковые материалы должны составлять отдельный раздел материаловедения.
Из областей применения ультрадисперсных и наноразмерных порошков
можно выделить их использование в качестве наполнителей в суспензиях
и композитных материалах. Тонкодисперсные порошки улучшают
характеристики материалов, применяемых в микроэлектронике, при получении
смазок, абразивов, мембран, катализаторов, адсорбентов. Порошки используются
для получения различных функциональных покрытий: противоизносных,
ресурсосберегающих, гидрофобных, самоочищающихся и пр. Эти
покрытия расширяют ресурсные возможности техники, конструкций, изделий,
применяемых в различных отраслях (в машиностроении и строительстве,
на транспорте, в медицине и быту и т.д.). Нанодисперсные порошки
обеспечивают создание новых типов композитных наноматериалов с возможностями
широкого практического применения.
Свойства частиц порошка, а также материалов, полученных с их применением,
зависят не только от химического состава, но и от размеров (формы)
частиц. В наноразмерной области соотношение поверхностных и объемных
атомов частиц становится соизмеримым, в отличие от микро- и макрочастиц,
а потому свойства нанопорошков могут значительно отличаться от их макродисперсных
аналогов. Поэтому материаловедческая схема при рассмотрении
свойств и характеристик порошковых материалов должна состоять из
позиций «состав – структура – дисперсность – свойства». Здесь немаловажно
напомнить, что под ультрадисперсными понимают порошки, имеющие микронные
и более мелкие размеры частиц. Нанодисперсные («нано» в переводе
с греческого – карлик) порошки имеют размеры 10-9 м и в создании используются
материалы, состоящих или имеющих фрагменты размером от 1 до
100 нм. Вместе с тем свойства порошковых материалов формируются прежде
всего поверхностными явлениями, интенсивность протекания которых
определяется дисперсионным взаимодействием составляющих частиц. Кроме
того, взаимодействие поверхности порошков с окружающей средой обя5
Стр.5
зательно будет связано с начальным этапом этого взаимодействия – смачиванием
межфазной поверхности. Поэтому для большинства физикохимических
процессов в порошковых материалах межфазная поверхность
играет ключевую роль. Без выяснения сути поверхностных явлений в таких
высокодисперсных системах невозможно эффективное использование наноразмерных
эффектов при реализации порошковых технологий. В данном
учебном пособии даны основные теоретические положения энергетики дисперсионного
взаимодействия между частицами ультра- и нанодисперсных
порошковых материалов, рассмотрены теоретические вопросы и экспериментальные
приемы определения термодинамических и гидрофильногидрофобных
характеристик. Учебное пособие в основном связано с изучением
термодинамики поверхностных явлений и, на наш взгляд, позволит
студентам-магистрантам и аспирантам познакомиться с современным состоянием
исследований поверхностей твердых тел.
6
Стр.6