Явища смачиваемости розглядалися для рівноважного стану системи. У пластових умовах спостерігаються нестійкі процеси, що відбуваються на поверхні розділу фаз. За рахунок витіснення нафти водою утворюється пересувається трифазний периметр змочування. Кут змочування змінюється в залежності від швидкості і напряму руху рідини (менісків рідини, рис. 5.5) в каналах і тріщинах.

Малюнок 5.5 - Схема зміни кутів змочування при зміні напрямку руху меніска в капілярному каналі:  1 - наступаючий,  2 - відступає кути змочування при русі водо-нафтового меніска в циліндричному каналі з гідрофільної поверхнею ( - статичний кут змочування)

кінетичним гистерезисом змочуванняприйнято називати зміну кута змочування при пересуванні по твердій поверхні трифазного периметра змочування. Величина гістерезису залежить:

від напрямку руху периметра змочування, тобто від того, чи відбувається витіснення з твердої поверхні води нафтою або нафти водою;

швидкості переміщення трифазної межі розділу фаз по твердій поверхні;

шорсткості твердої поверхні;

адсорбції на поверхні речовин.

Явища гістерезису виникають, в основному, на шорсткуватих поверхнях і мають молекулярну природу. На полірованих поверхнях гистерезис проявляється слабо.

5.6 Властивості поверхневих шарів пластових рідин

Про структуру поверхневого шару існують різні припущення.

Багато дослідників, що вивчають будову і товщину тонких шарів рідини, пов'язують освіту пристінних шарів з поляризацією молекул і їх орієнтацією від поверхні твердого тіла у внутрішні області рідини з утворенням сольватних 1 шарів.

Особливо складну будову мають шари нафти, що контактують з гірськими породами пласта, так як взаємодія поверхнево-активних речовин з мінералами дуже різноманітне.

Помічено, наприклад, що реагенти, що застосовуються у флотаційній техніці, можуть закріплюватися на поверхні мінералу як в формі звичайних тривимірних плівок, що утворюють самостійну фазу на поверхні мінеральних часток, так і у вигляді поверхневих сполук, нe мають певного складу і не утворюють окремої самостійної фази.

Нарешті, реагенти можуть концентруватися в дифузійної частини подвійного електричного шару, a не на самій поверхні розділу фаз.

Поверхнево-активні компоненти, мабуть, завжди концентруються не тільки на поверхні, але і в тривимірному обсязі поблизу поверхні розділу.

Багатьма дослідниками були зроблені спроби вимірювати товщину плівки різних рідин па твердих тілах. Так, наприклад, за результатами вимірювань Б. В. Дерягина і М. М. Кусакова товщина змочуючих плівок водних розчинів солей на різних твердих плоских поверхнях становить близько 10 -5 см (100 їм). Ці шари відрізняються від решти рідини структурою і механічними властивостями - пружністю на зрушення і підвищеною в'язкістю. Встановлено, що властивості рідини в поверхневому шарі змінюються також внаслідок її стиснення. Наприклад, щільність адсорбированной силікагелем води за деякими вимірах становить 1027-1285 кг / м 3.

Особливими властивостями володіють також адсорбційні і пов'язані з ними сольватні оболонки на розділах фаз в нафтовому пласті. Деякі складові частини нафти можуть утворювати гелевидні структуровані адсорбційні шари (з незвичайними - аномальними властивостями) з високою структурною в'язкістю, а при високих ступенях насичення адсорбційного шару - з пружністю і механічною міцністю на зсув.

Дослідження показують, що до складу поверхневих шарів на розділі нафту - вода входять нафтенові кислоти, низькомолекулярні смоли, колоїдні частинки високомолекулярних смол і асфальтенів, мікрокристали парафіну, а також частки мінеральних і вуглецевих суспензій. Передбачається, що поверхневий шар на розділі нафту - вода утворюється в результаті скупчення мінеральних і вуглецевих частинок, а також мікрокристалів парафіну під впливом виборчого змочування водною фазою гідрофільних ділянок їх поверхні. Адсорбуватися на цій же поверхні розділу асфальтосмолисті речовини, що переходять в гелевидний стан, цементують частинки парафіну і мінералів в єдиний монолітний шар. Поверхневий шар ще більш потовщується внаслідок сольватізаціі гелів асфальтосмолисті речовин з боку нафтової фази.

Особливі структурно-механічні властивості поверхневих шарів обумовлюють стабілізацію різних систем і, зокрема, високу стійкість деяких водонафтових емульсій.

Існування адсорбційних шарів на розділі залишкова вода - нафта, по видимому, надає також деякий затримує вплив на процеси смешиваемости нагнітаються в пласт вод із залишковими.

5.7 Розклинюючий дію тонких шарів рідини.

Досліди Дєрягіна. ефект Ребіндера

Рідина, змочує тверде тіло, проникаючи в тонкі тріщини, здатна грати роль клина і розсовувати її стінки, тобто тонкі шари рідини мають розклинюючим дією 2. Це властивість тонких шарів проявляється також при зближенні твердих поверхонь, занурених в рідину. За дослідженнями Б. В. Дерягина розклинюючий дію виникає за умови, якщо товщина шару h рідини, що розсовує поверхні тріщини, менше деякої величини h кр . при h > h кр розклинюючий дія дорівнює нулю і при h < h кр воно зростає зі зменшенням товщини рідкого шару, т. е. з моменту h ≤ h кр для зближення поверхонь частинок необхідно докласти до них зовнішнє навантаження.

Факторами, що створюють розклинюючий дію, є сили іонно-електростатичного походження і особливе агрегатний стан полярних рідин поблизу граничних поверхонь.

Раніше згадувалося, що властивості сольватного шару на поверхні твердого тіла різко відрізняються від властивостей решти рідини. Цей (сольватний) шар можна розглядати як особливу граничну фазу. Тому при зближенні частинок до відстаней, менших подвійної товщини сольватних шарів, до частинкам необхідно прикладати зовнішнє навантаження.

Розклинюючий тиск іонно-електростатичного походження виникає через зміни концентрації іонів в шарі, що розділяє частки і в оточуючому розчині.

За результатами досвіду розклинюючий дію тим більше, чим міцніше зв'язок між рідиною і поверхнями твердого тіла. Його можна підсилити, якщо ввести в рідину поверхнево-активні речовини, добре адсорбовані поверхнею твердого тіла. На цьому явищі заснований ефект Ребіндера. Сутність його полягає в тому, що невеликі кількості поверхнево-активних речовин викликають різке погіршення механічних властивостей твердого тіла. Адсорбционное зниження міцності твердих тіл залежить від багатьох факторів. Воно посилюється, якщо тіло піддається розтягуюче зусилля і якщо рідина добре змочує поверхню.

Ефект адсорбционного зниження міцності використовується в бурінні свердловин. При використанні в якості промивних рідин розчинів, що містять спеціально підібрані поверхнево-активні речовини, помітно полегшується буріння твердих порід.

і K "n

D K n

При вивченні процесу диспергування встановлено, що в частці при деформації розвиваються мікротріщини на основі дефектів кристалічної решітки. Серед цих мікротріщин є і такі, широкі частини яких виходять на поверхню тіла, а тупики залишаються всередині тіла. Поверхневі мікротріщини є основною причиною зниження механічної міцності реальних твердих тіл в порівнянні з їх теоретичної міцністю.

8.4.2. Ефект Ребіндера і його роль в диспергування.

В 1928 П. А. Ребіндера висловив припущення про те,що в

основі зниження механічних властивостей твердих тіл під впливом поверхнево-активних речовин (ПАР) лежить зниження вільної поверхневої енергії і, як наслідок, зменшення роботи, необхідної для утворення нових поверхонь.

Руйнування можна розглядати як процес утворення нових поверхонь, отже, адсорбція ПАР полегшує руйнування. Міцність твердого тіла тим менше, чим менше поверхнева енергія. Поверхневу енергію можна зменшити за допомогою ПАР. Існує вислів, що встановлює зв'язок міцності та поверхневої енергії для тіла, що має дефект у вигляді мікротріщини.

Розглянемо тверде тіло - пластину (рис. 8.3) одиничної товщини, до якої додано розтяжне напруга P. Відповідно до закону Гука, пружна деформація тіла призводить до накопичення в ньому пружної енергії з щільністю, рівною

	W упр

де E - модуль Юнга. Нехай в тілі виникає суцільна тріщина довжиною L. При цьому в частині обсягу відбувається зменшення пружною

Залежність lg D (або lg) від lg відповідно до рівняння

D K n і K "n являє собою пряму лінію, тангенс кута нахилу якої дорівнює показнику степеня n з мінусом. Значення показника n у цих рівняннях залежить від співвідношення між розміром частинок і довжиною хвилі падаючого світла, що характеризується параметром z.

Показник ступеня n в рівняннях

знаходять на основі турбидиметричним даних. Для цього експериментально вимірюють оптичну щільність системи при різних довжинах хвиль і будують графік залежності в координатах

	lg D lg. показник		визначають		тангенсу	кута нахилу
	отриманої прямої. За значенням n			знаходять відповідне
	значення параметра

розраховують середній радіус частинок досліджуваної дисперсної системи.

Слід зазначити, що цей метод, як і рівняння Релея, застосуємо тільки для «білих» золів, тобто для дисперсних систем, Які не поглинають світло (метод базується тільки на Светорассеяніє).

10.8. Світлова мікроскопія.

10.8.1. Світлова мікроскопія.

Светорассеяніє і нефелометрія є непрямими методами

вимірювання розміру часток, заснованими на оптичні властивості дисперсних систем. Виникає питання, чи існують прямі методи, тобто чи можна побачити колоїдну частинку. При спостереженні системи в звичайний мікроскоп в світлі

www.mitht.ru/e-library

Значення показника ступеня n в цьому рівнянні в свою чергу залежить від z; зі збільшенням z значення n зменшується, прагнучи в межі до 2 для частинок, радіус яких

більше довжини хвилі. При малих значеннях z дотримується рівняння Релея і при n 4.

Виходячи з теорії Шифріна, можна визначити розмір часток по характеристичної каламутності. Для цього вимірюють значення оптичної щільності D серії розбавлених розчинів і обчислюють

	каламутність за рівнянням:

За допомогою графічної екстраполяції знаходять значення характеристичної каламутності. Підставляючи знайдене значення також значення і в формулу (10.26), визначають значення (z)

і по таблиці значення z. За рівняння (10.24) обчислюють радіус частинки.

Зі збільшенням розмірів частинок закон Релея перестає дотримуватися і інтенсивність розсіяного світла стає обернено пропорційній довжині хвилі в ступеня меншою, ніж четверта. Якщо розмір (діаметр) частинок становить від 1/10 до 1/3 довжини світлової хвилі, і показники заломлення частинок і середовища не сильно розрізняються, для опису светорассеяния в системі можна скористатися емпіричним рівнянням, запропонованим Геллер:

D K n і K "n (10.29)

де K і K "- константи, які не залежать від довжини хвилі.

деформації і відповідно зменшення щільності пружної енергії. Можна приблизно вважати, що подібна релаксація напружень відбувається в області розміром порядку l (рис. 8.3), т. Е. Зменшення запасеної в тілі пружної енергії пропорційно квадрату розміру тріщини:

	E упр

Мал. 8.3. Пластина одиничної товщини під впливом растягивающего

напруги P.

При механічному диспергування протікає зворотний процес - рекомбінація часток, інтенсивність якого збільшується при збільшенні ступеня дісперстності. Максимальний розмір часток,

який можна отримати механічним подрібненням посилання - 1 10 6 м. Рекомбінацію частинок можна придушити, застосовуючи інертний розчинник. Так отримують колоїдну сірку дробленням ромбічної сірки з додаванням цукру як інертного розчинника. До суміші, що утворюється колоїдної сірки з цукром додають воду і поділяють суміш за допомогою діалізу.

www.mitht.ru/e-library

Збільшення поверхневої енергії F пов пропорційно поверхневому натягу і подвоєною довжині тріщин, так як тріщина має два берега.

F пов ~ 2 l (8.8))

Разом з тим зростання тріщини супроводжується збільшенням поверхневої енергії внаслідок утворення нової поверхні розділу фаз з площею, пропорційною подвоєною довжині тріщини. Загальна зміна енергії при утворенні тріщин дорівнює сумі змін пружною і поверхневої енергій:

			P2 l 2

Графічно залежність зміни енергії від довжини тріщини зображується кривої з максимумом (рис. 8.5).

Мал. 8.5. Залежність зміни поверхневої енергії від довжини тріщини.

Для частинок, розмір яких не перевищує 20 1 довжини хвилі

падаючого світла, за умови відсутності поглинання світла і вторинного светорассеяния справедливо рівняння Релея.

Для частинок, розмір яких дорівнює довжині світлової хвилі або більше її, визначення розмірів частинок по Светорассеяніє може бути здійснено виходячи із загальної теорії светорассеяния.

У разі, коли радіус становить від однієї десятої до однієї третьої довжини світлової хвилі, і показники заломлення частинок і середовища не дуже різняться (m 1,5), визначення розмірів частинок дисперсних систем проводять за методом К. С. Шифріна і І. Я. Слонима. Відповідно до цього методу, каламутність залежить від параметрів і z наступним чином:

а при З про 0
[τ ]

де - каламутність системи, див-1; З об - об'ємна частка дисперсної фази; - характеристична каламутність.

При z 2 (т. Е. R 0,080) можна використовувати рівняння Релея

(Частки видно в мікроскоп).

Залежність каламутності від параметра z описується рівнянням

	τ const	C про

www.mitht.ru/e-library

	[Τ] lim
	C про		З про 0

Дуже зручним об'єктом дослідження оптичних властивостей колоїдних систем є латекси, що представляють модель гідрофобних золів. Вони є двофазним і трикомпонентними системами, що складаються з полімерних частинок ультрамікроскопічних розмірів, зважених в серуми - водному розчині стабілізатора. Як стабілізатор застосовують різні поверхнево-активні речовини (солі жирних і сульфокислот).

10.7.2. Дисперсні системи, що не підкоряються рівнянню Релея.

Інтенсивність світла, розсіяного розведеної дисперсної системою, а також кутовий розподіл розсіяного світла (індікатрісса розсіювання) залежать від значень двох безрозмірних параметрів і z. Параметр характеризує відхилення властивостей частки від властивостей середовища і визначається рівнянням

де m

ставлення

показника

заломлення дисперсної

фази до показника заломлення дисперсійного середовища.

параметр z

характеризує відношення радіуса частки r до довжини

У точці максимуму значення першої похідної функції дорівнює

0, т. Е.

2 dl	2P 2

Цьому максимуму вільної енергії відповідає критичний розмір тріщини, що дорівнює:

l кр ~

Тріщини з розміром, більшим критичного, нестійкі і мимоволі збільшують свої розміри, що призводить до утворення макроскопічної тріщини і руйнування тіла. Тріщини з розміром, меншим критичного, повинні прагнути зменшити свої розміри (заліковувати).

Вираз (8.11) можна також представити у вигляді:

		E 1/2

Згідно з цим співвідношенням, отриманого вперше Гріффітс і названому його ім'ям. Реальна міцність P 0 твердого тіла,

має тріщину з розміром l, пропорційна кореню квадратному з величини поверхневої енергії і обернено пропорційна кореню квадратному з довжини тріщини. «Теоретична» міцність ідеального тіла дорівнює

де b - розмір молекул. Рівняння Гриффитса може бути також представлено у вигляді

www.mitht.ru/e-library

Таким чином, відношення реальної і ідеальної міцності твердого тіла визначається співвідношенням між розміром молекул b і розміром дефекту.

Таким чином, аналіз взаємозв'язку механічних властивостей і поверхневої енергії показує, що, змінюючи величину поверхневої енергії, можна впливати на міцність матеріалів. Розвиток мікротріщин під дією зовнішніх сил може бути полегшено адсорбцией різних речовин на поверхні тіла з-посеред, в якій проводять диспергування.

Адсорбироваться можуть іони електролітів, молекули поверхнево-активних речовин, рідкі метали (наприклад, ртуть). На поверхні утворюється двомірний газ. Адсорбовані іони або молекули проникають в щілини і прагнуть розсунути мікротріщини. Відбувається також екранування сил зчеплення, що діють між поверхнями мікротріщин. Адсорбована зниження міцності отримало назву ефекту Ребіндера. Речовини, що підвищують ефективність диспергування, називаються Знижувач твердості. Цей ефект має велике практичне значення не тільки в процесах власне диспергирования, але і в процесах буріння твердих порід, при тонкій обробці металів.

Знижувач твердості можуть бути введені в диспергуючу пристрій у вигляді пари, рідини. Цей спосіб широко застосовується при отриманні високодисперсного цементу.

До ефективним методам відносяться механічне дісперігірованіе, засноване на застосуванні вібраційних методів (вплив коливань досить високої частоти і малої

Запишемо рівняння в загальному вигляді:

I пр I 0 e k c l

	I пр	e k c l	e τ l
висловимо			через оптичну щільність:
				I пр

Для дисперсних систем з сферичними частинками рівняння Релея можна записати в такому вигляді:

	I рас		24 π3
			τ λ 4					З про V
				n2 2 n2
де I рас -			повна інтенсивність				світла, розсіяного 1 см3

системи; З об - об'ємна частка дисперсної фази; V- обсяг частки, см3.

Звідси можна обчислити об'єм частинок:

де K
								2 n2

Рівняння Релея справедливо лише для розбавлених розчинів, так як воно не враховує вторинного розсіювання світла і взаємодії між частинками. Тому для визначення розміру часток слід знайти для ряду розчинів з різною кратністю розбавлення і екстраполювати величину / C про до Соб 0.

Крім дії хімічних процесів, Що впливають на властивості поверхні і фрикційне взаємодія між твердими тілами, існує відкрите і досліджене П.А. Ребиндером аналогічне мастильна засіб, обумовлене чисто молекулярним взаємодією мастила з твердими поверхнями, що отримало назву «ефекту Ребіндера».

Реальні тверді тіла мають як поверхневі, так і внутрішні дефекти структури. Як правило, подібні дефекти мають надлишкову вільної енергією. За рахунок фізичної адсорбції молекул поверхнево-активних речовин (ПАР) відбувається зниження рівня вільної поверхневої енергії твердого тіла в місцях їх посадки. Це зменшує роботу виходу дислокацій на поверхню. Поверхнево-активні речовини проникають в тріщини і в межкристаллитного простір, надаючи механічний вплив на їх стінки і, розсовуючи їх, призводять до крихкого розтріскування матеріалу і зменшення міцності контактуючих тіл. І якщо подібні процеси розвиваються тільки на виступах контактуючих тіл, зменшуючи опір зрушенню нерівностей цього матеріалу, то в цілому цей процес призводить до вигладжування поверхні, зменшення питомої тиску в контактній зоні і в цілому

зменшення тертя і зносу тертьових тіл. Але якщо нормальні навантаження при терті значно збільшуються, високі питомі тиску поширюються на всю контурну площа, разупрочнение матеріалу здійснюється на великій ділянці поверхні і призводить вже до дуже швидкого її руйнування.

Ефект Ребіндера широко використовується як при розробці мастильних матеріалів (для цього в мастильний матеріал вводять спеціальні ПАР), так і для полегшення деформування і обробки матеріалу при виготовленні деталей машин (для цього використовуються спеціальні мастила та емульсії у вигляді мастильно-охолоджуючих рідин МОР).

Прояв ефекту Ребіндера відбувається на найрізноманітніших матеріалах. Це і метали, гірські породи, скла, елементи машин і устаткування. Понеділок, викликає зниження міцності, може бути газоподібної і рідкої. Часто в якості ПАР можуть виступати розплавлені метали. Наприклад, мідь, що виділилася при розплавленні підшипника ковзання, стає ПАР для стали. Проникаючи в тріщини і межкристаллической простір вагонних осей, цей процес стає причиною крихкого руйнування осей і причиною аварій на транспорті.

Чи не віддаючи належної уваги природі процесу, ми часто стали стикатися з прикладами, коли аміак викликає розтріскування латунних деталей, газоподібні продукти згоряння різко прискорюють процес руйнування турбінних лопаток, розплавлений хлористий магній діє руйнівно на високоміцні нержавіючі стали і ряд інших. Знання природи цих явищ відкриває можливості направлено вирішувати питання підвищення зносостійкості і руйнування відповідальних деталей і вузлів машин і обладнання, а при належному використанні ефекту Ребіндера підвищувати продуктивність обробного обладнання і ефективність використання пар тертя, тобто економити енергію.

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Казанський державний технологічний університет»

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Ефект Ребіндера

Виконала: студент гр. 5271-1

Бобровник С.А.

перевірила:

Третьякова А.Я.

Казань 2010

Ребиндером Петро Олександрович (03.Х.1898-12.VII.1972), радянський фізико-хімік, академік АН СРСР з 1946 р (член-кореспондент з 1933 р), народився в Петербурзі. Закінчив фізико-математичний факультет Московського університету (1924). У 1922-1932 рр. працював в Інституті фізики і біофізики АН СРСР і одночасно (в 1923-1941 рр.) - в Московському державному педагогічному інституті ім. К.Лібкнехта (з 1923 - професор), з 1935 р - завідувач відділом дисперсних систем в Коллоидно-електрохімічному інституті (з 1945 р - Інститут фізичної хімії) АН СРСР, з 1942 р - завідувач кафедри колоїдної хімії в Московському університеті.

Роботи Ребиндера присвячені физикохимии дисперсних систем і поверхневих явищ. У 1928 р вчений відкрив явище зниження міцності твердих тіл внаслідокоборотного фізико-хімічного впливу на них середовища (ефект Ребіндера) і в 1930-1940-і рр. розробив шляхи полегшення обробки дуже твердих і важкооброблюваних матеріалів.

Він виявив електрокапілярних ефект пластіфіцірованія металевих монокристалів в процесі повзучості при поляризації їх поверхні в розчинах електролітів, досліджував особливості водних розчинів поверхнево-активних речовин, вплив адсорбційних шарів на властивості дисперсних систем, виявив (1935-1940) основні закономірності освіти і стабілізації пін і емульсій, а також процесу звернення фаз в емульсіях.

Вчений встановив, що миючий дію включає складний комплекс колоїдно-хімічних процесів. Ребиндер вивчив процеси освіти і будова міцел поверхнево-активних речовин, розвинув уявлення про термодинамічної стійкою міцелі мив з ліофобних внутрішнім ядром в ліофільної середовищі. Вчений вибрав і обгрунтував оптимальні параметри для характеристики реологічних властивостей дисперсних систем і запропонував методи їх визначення.

У 1956 р вчений відкрив явище адсорбційного зниження міцності металів під дією металевих розплавів. У 1950-ті рр. вченим була створена нова галузь науки - фізико-хімічна механіка. Як писав сам Ребиндер: «Кінцева завдання фізико-хімічної механіки полягає в тому, щоб розробити наукові основи для отримання твердих тіл і систем з заданими структурою і механічними властивостями. Отже, в завдання цієї області входить створення оптимально спрямованої технології виробництва і обробки по суті всіх будівельних і конструкційних матеріалів сучасної техніки - бетонів, металів і сплавів, особливо жароміцних, кераміки і металокераміки, гум, пластиків, мастильних матеріалів ».

З 1958 р Ребиндер - голова Наукової ради АН СРСР з проблем фізико-хімічної механіки і колоїдної хімії, потім (з 1967 р) голова Національного комітету СРСР при Міжнародному комітеті з поверхнево-активних речовин. З 1968 по 1972 р він був головним редактором «Колоїдного журналу». Вчений нагороджений двома орденами Леніна, мав звання Героя Соціалістичної праці (1968), лауреата Державної премії СРСР (1942).

Ефект Ребіндера, ефект адсорбційного зниження міцності твердих тіл, полегшення деформації і руйнування твердих тіл внаслідокоборотного фізико-хімічного впливу середовища. Відкрито П. А. Ребиндером (1928) при вивченні механічних властивостей кристалів кальциту і кам'яної солі. Можливий при контакті твердого тіла, що знаходиться в напруженому стані, з рідкою (або газової) адсорбційно-активному середовищем. Ефект Ребіндера вельми універсальний - спостерігається в твердих металах, іонних, ковалентних і молекулярних моно- і полікристалічних тілах, стеклах і полімери, частково закристалізуватися і аморфних, пористих і суцільних. Основна умова прояву ефекту Ребіндера - родинний характер контактуючих фаз (твердого тіла і середовища) по хімічним складом і будовою. Форма і ступінь прояву ефекту залежать від інтенсивності міжатомних (міжмолекулярних) взаємодій дотичних фаз, величини і типу напружень (необхідні розтягують напруги), швидкості деформації, температури. Істотну роль грає реальна структура тіла - наявність дислокацій, тріщин, сторонніх включень і ін. Характерна форма прояву ефекту Ребіндера - багаторазове падіння міцності, підвищення крихкості твердого тіла, зниження його довговічності. Так, змочена ртуттю цинкова пластина під навантаженням не гнеться, а крихко руйнується. Інша форма прояву - пластифицирующее дію середовища на тверді матеріали, наприклад води на гіпс, органічних поверхнево-активних речовин на метали і ін. Термодинамічний ефект Ребіндера обумовлений зменшенням роботи утворення нової поверхні при деформації в результаті зниження вільної поверхневої енергії твердого тіла під впливом навколишнього середовища . Молекулярна природа ефекту полягає в полегшенні розриву і перебудови міжмолекулярних (міжатомних, іонних) зв'язків в твердому тілі в присутності адсорбційно-активних і разом з тим досить рухливих чужорідних молекул (атомів, іонів).

Найважливіші області технічного додатка - полегшення і поліпшення механічної обробки різних (особливо високотвёрдих і важкооброблюваних) матеріалів, регулювання процесів тертя і зносу із застосуванням мастил, ефективне отримання подрібнених (порошкоподібних) матеріалів, отримання твердих тіл і матеріалів із заданою дисперсною структурою і необхідним поєднанням механічних та ін. властивостей шляхом дезагрігірованія і подальшого ущільнення без внутрішньої напруги. Адсорбционно-активне середовище може наносити і істотну шкоду, наприклад, знижуючи міцність і довговічність деталей машин і матеріалів в умовах експлуатації. Усунення чинників, що сприяють прояву ефект Ребіндера, в цих випадках дозволяє захищати матеріали від небажаного впливу середовища.

Навіть найміцніші тіла мають величезне число дефектів, які і послаблюють їх опір навантаженню, роблять менш міцними в порівнянні з тим, що передбачає теорія. При механічному руйнуванні твердого тіла процес починається з того місця, де розташовані мікродефекти. Збільшення навантаження призводить до розвитку в місці дефекту мікротріщини. Однак зняття навантаження призводить до відновлення первісної структури: ширина мікротріщини часто буває недостатньою для повного подолання сил міжмолекулярної (міжатомної) взаємодії. Зменшення навантаження призводить до «стягання» мікротріщини, сили міжмолекулярної взаємодії відновлюються практично повністю, тріщина зникає. Справа ще й у тому, що освіта тріщини - це утворення нової поверхні твердого тіла, а такий процес вимагає витрати енергії, рівній енергії поверхневого натягу, помноженої на площу цієї поверхні. Зменшення навантаження веде до «стягання» тріщин, т. К. Система прагне до зменшення енергії, в ній запасеної. Отже, для успішного руйнування твердого тіла необхідно покрити утворюється поверхня спеціальною речовиною, званим поверхнево-активною, яке буде зменшувати роботу з подолання молекулярних сил при утворенні нової поверхні. Поверхнево-активні речовини проникають в мікротріщини, покривають їх поверхні шаром товщиною всього в одну молекулу (що визначає можливість використання дуже малих кількостей добавок цих речовин), запобігаючи процес «схлопування», перешкоджаючи відновленню молекулярного взаємодії.

Поверхнево-активні речовини в певних умовах полегшують подрібнення твердих тіл. Дуже тонке (аж до розміру колоїдних частинок) подрібнення твердих тіл взагалі неможливо здійснити без додавання поверхнево-активних речовин.

Тепер залишається згадати, що руйнування твердого тіла (т. Е. Освіту нових мікротріщин) починається саме з того місця, де розташований дефект структури цього тіла. Крім того, додається поверхнево-активна речовина адсорбується переважно також у місцях розташування дефектів - таким чином полегшується його адсорбція на стінках майбутніх мікротріщин. Наведемо слова академіка Ребиндера: «Відрив частини відбувається саме за цими слабких місцях [розташування дефектів], і, отже, утворюються при подрібненні дрібні частинки тіла вже не містять цих найбільш небезпечних дефектів. Висловлюючись точніше, ймовірність зустрічі небезпечного слабкого місця стає тим менше, чим менше її розміри.

Якщо, подрібнюючи реальне тверде тіло будь-якої природи, ми дійдемо до частинок, розміри яких приблизно такі ж, як відстані між найнебезпечнішими дефектами, то такі частки вже майже напевно не будуть містити небезпечних дефектів структури, вони стануть набагато міцніше, ніж великі зразки того ж самого тіла. Отже, варто тільки подрібнити тверде тіло на досить дрібні шматочки, і ці шматочки тієї ж самої природи, того ж складу будуть найміцнішими, майже ідеально міцними ».

Потім ці однорідні, бездефектні частки треба з'єднати, зробити з них тверде (високоміцне) тіло потрібних розмірів і форми, змусити частинки щільно упакуватися і дуже міцно об'єднатися один з одним. Отримана таким чином деталь машини або будівельна деталь повинна бути набагато міцніше, ніж вихідний матеріал до подрібнення. Звичайно, не настільки міцною, як окрема частка, т. К. В місцях об'єднання виникнуть нові дефекти. Однак при вмілому проведенні процесу об'єднання часток міцність вихідного матеріалу буде перевершена. Для цього потрібно особливо щільно упакувати дрібні частинки, щоб між ними знову виникли сили міжмолекулярної взаємодії. Зазвичай для цього використовують стиснення частинок пресуванням і нагрів. Нагрівають отриманий пресуванням дрібнозернистий агрегат, не доводячи його до плавлення. При підвищенні температури збільшується амплітуда теплових коливань молекул (атомів) в кристалічній решітці. У точках дотику коливаються молекули двох сусідніх частинок зближуються і навіть перемішуються. Сили зчеплення збільшуються, частки стягуються, практично не залишаючи пустот і пір, дефекти місць зіткнення зникають.

У ряді випадків частки вдається склеїти або спаяти між собою. При цьому процес треба вести в такому режимі, щоб прошарку клею або припою не містили дефектів.

Докорінне удосконалення процесу подрібнення твердих тіл, засноване на практичному застосуванні ефекту Ребіндера, виявилося вельми корисним для багатьох галузей промисловості. Технологічні процеси подрібнення істотно прискорилися, при цьому споживання енергії помітно зменшилася. Тонке подрібнення дозволило проводити багато технологічні процеси при менш високих температурах і тисках. В результаті були отримані більш високоякісні матеріали: бетони, керамічні і металокерамічні вироби, барвники, олівцеві маси, пігменти, наповнювачі та багато іншого. Полегшується механічна обробка тугоплавких і жароміцних сталей.

Ось як описує спосіб застосування ефекту Ребіндера він сам: «Будівельні деталі з цементного бетону можуть бути надійно об'єднані в монолітну конструкцію шляхом склеювання цементним віброколлоідним клеєм ... Такий клей являє собою суміш тонкомолотого цементу (частина якого можна замінити тонкомолотого піском) з гранично малою кількістю води і добавкою поверхнево-активної речовини. Суміш розріджується граничним вібрацією в процесі нанесення на поверхні, що склеюються у вигляді тонкого прошарку. Після швидкого затвердіння прошарок клею стає найміцнішим місцем в конструкції ».

Використання ідей академіка Ребиндера щодо полегшення процесу подрібнення твердих тіл має велике практичне значення, наприклад, для розробки методу зменшення міцності мінералів з метою підвищення ефективності буріння в твердих породах.

Зниження міцності металів під дією металевих розплавів. У 1956 р Ребиндер відкрив явище зниження міцності металів під дією металевих розплавів. Було показано, що максимальне зниження поверхневої енергії твердого тіла (металу) майже до нуля можна викликати розплавленими середовищами, які близькі до твердого тіла з молекулярної природі. Так, міцність на розтяг монокристалів цинку вдалося знизити в десятки разів при нанесенні на їх поверхню шару рідкого металу олова товщиною в 1 мікрон і менше. Подібні ефекти для тугоплавких і жароміцних сплавів спостерігаються під дією рідких легкоплавких металів.

Відкрите явище виявилося вельми важливим для вдосконалення способів обробки металів тиском. Цей процес неможливий без застосування мастила. Для матеріалів нової техніки - тугоплавких і жароміцних сплавів - обробка особливо істотно полегшується при застосуванні активних мастил, які розм'якшують тонкі поверхневі шари металу (що, власне, і відбувається під дією невеликих кількостей металевих розплавів). При цьому метал як би змащує сам себе - усувається шкідлива надмірна деформація, що виникає при обробці, яка викликає так званий наклеп - заважає обробці підвищення міцності. Відкриваються нові можливості обробки металів тиском при нормальній і підвищеній температурах: підвищується якість виробів, зменшується знос обробного інструменту, витрата енергії на обробку.

Замість перекладу дорогого металу в стружку в процесі виготовлення виробу різанням можна застосувати пластичне зміна форми: обробку тиском без втрат металу. При цьому якість виробів також підвищується.

Різке зниження міцності поверхневого шару металів відіграє істотну роль в поліпшенні роботи вузлів тертя. Виникає автоматично діючий механізм управління зносом: якщо є випадкові нерівності на поверхнях, що труться (задирки, подряпини і т. П.), В місцях їх дислокації розвивається висока місцеве тиск, що викликає поверхнева течія металів, значно полегшене під дією адсорбованих розплавів (змочений розплавом поверхневий шар металу втрачає міцність). Поверхні, що труться легко прішліфовивать або заполіровивается. Введена «мастило» викликає прискорений «знос» нерівностей, збільшується швидкість підробітки (обкатки) машин.

Активні розплави-домішки можна використовувати в якості модифікаторів процесу кристалізації. Адсорбируясь на кристаликах-зародках виділяється металу, вони зменшують швидкість їхнього зростання. Таким чином, утворюється дрібнозерниста структура металу з більш високою міцністю.

Розроблено процес «тренування» металу в поверхнево-активному середовищі. Метал піддають періодичним поверхневим впливам, які не призводять до руйнування. Через полегшення пластичних деформацій в поверхневих шарах метал у внутрішньому обсязі як би «розминається», відбувається розпорошення кристалічної решітки зерен. Якщо проводити такий процес при температурі, близької до температури початку рекристалізації металу, в поверхнево-активному середовищі відбувається утворення мелкокристаллической структури з набагато більш високою твердістю. Та й подрібнення металів при отриманні тонкого порошку не обходиться без застосування поверхнево-активних розплавів. Надалі з цього порошку отримують вироби гарячим пресуванням (в повній відповідності з описаним вище процесом зміцнення матеріалів з порошків).

Ефект Ребіндера в полімерах. Видатний радянський фізико-хімік академік Петро Олександрович Ребиндер був першим, хто спробував впливати на роботу руйнування твердого тіла. Саме Ребиндера вдалося зрозуміти, яким чином це можна здійснити. Ще в 20-х роках минулого століття він використовував для цієї мети так звані поверхнево-активні, або адсорбційно-активні, речовини, які здатні ефективно адсорбуватися на поверхні навіть при низькій концентрації в навколишньому середовищу і різко знижувати поверхневий натяг твердих тіл. Молекули даних речовин атакують міжмолекулярні зв'язки в вершині зростаючої тріщини руйнування і, адсорбируясь на свіжоутвореними поверхнях, послаблюють їх. Підібравши спеціальні рідини і ввівши їх на поверхню руйнується твердого тіла, Ребиндер домігся вражаючого зменшення роботи руйнування при розтягуванні (рис.1). На малюнку представлені деформаційно-міцнісні криві монокристала цинку (пла-Стінкі товщиною близько міліметра) під час відсутності і в присутності поверхнево-активної рідини. Момент руйнування в обох випадках відзначений стрілками. Добре видно, що якщо просто розтягувати зразок, він руйнується при більш ніж 600% подовженні. Але якщо ту ж процедуру виробляти, завдавши на його поверхню рідке олово, руйнування настає за все при ~ 10% подовженні. Оскільки робота руйнування - це площа під кривою залежності напруги від деформації, неважко помітити, що присутність рідини зменшує роботу навіть не в рази, а на порядки. Саме цей ефект і був названий ефектом Ребіндера, або ад-сорбційними зниженням міцності твердих тіл.

Рис.1. Залежність напруги від деформації монокристалів цинку при 400 ° С: 1 - на повітрі; 2 - в розплаві олова

Ефект Ребіндера - універсальне явище, воно спостерігається при руйнуванні будь-яких твердих тіл, в тому числі і полімерів. Проте, природа об'єкта вносить свої особливості в процес руйнування, і полімери в цьому сенсі не виняток. Полімерні плівки складаються з великих цілих молекул, що утримуються разом силами Ван-дер-Ваальса або водневими зв'язками, Які помітно слабкіше, ніж ковалентні зв'язки всередині самих молекул. Тому молекула, навіть будучи членом колективу, зберігає якісь відособленість і індивідуальні якості. Головна особливість полімерів - ланцюгове будова їх макромолекул, яке забезпечує їх гнучкість. Гнучкість молекул, тобто їх здатність змінювати свою форму (за рахунок деформації валентних кутів і поворотів ланок) під дією зовнішнього механічного напруги і ряду інших факторів, лежить в основі всіх характеристичних властивостей полімерів. В першу чергу - здатності макромолекул до взаємної орієнтації. Правда, слід зазначити, що це стосується тільки до лінійних полімерів. Існує величезна кількість речовин, що мають велику молекулярну вагу (наприклад, білки та інші біологічні об'єкти), але не володіють специфічними якостями полімерів, оскільки сильні внутрішньо-молекулярні взаємодії заважають їх макромолекулам згинатися. Більш того, типовий представник полімерів - натуральний каучук, - будучи «зшиті» з допомогою спеціальних речовин (процес вулканізації), може перетворитися в тверда речовина - ебоніт, що не подає взагалі ніяких ознак полімерних властивостей.

В полімерах ефект Ребіндера проявляється своєрідними. У адсорбційно-активної рідини виникнення і розвиток нової поверхні спостерігається не тільки при руйнуванні, а значно раніше - ще в процесі деформації полімеру, яка супроводжується орієнтацією макромолекул.

Рис.2. Зовнішній вигляд зразків поліетилентерефталату, розтягнутих на повітрі (а) і в ад-сорбційно-активному середовищі ( н-пропанолі) (б).

ребиндер полімер метал міцність

На рис.2 представлені зображення двох зразків лавсану, один з яких був розтягнутий на повітрі, а інший - в адсорбційно-активної рідини. Добре видно, що в першому випадку у зразку виникає шийка. У другому випадку плівка не звужується, зате стає молочно-білою і не прозорою. Причини спостерігається побіління стають зрозумілими при мікроскопічному дослідженні.

Рис.3. Електронна мікрофотографія зразка поліетилентерефталату, деформованийного в н-пропанол. (Увел. 1000)

Замість монолітної прозорою шийки в полімері утворюється унікальна фібрилярні-пориста структура складається з нітеобразних агрегатів макромолекул (фібрил), розділених мікропорожнечі (порами). В цьому випадку взаємна орієнтація макромолекул досягається не в монолітної шийці, а всередині фібрил. Оскільки фібрили роз'єднані в просторі, така структура містить величезну кількість мікропорожнеч, які інтенсивно розсіюють світло і надають полімеру молочно-білий колір. Пори заповнюються рідиною, тому гетерогенне будова зберігається і після зняття деформуючого напруги. Фібрилярні-пориста структура виникає в особливих зонах і в міру деформування полімеру захоплює все більший обсяг. Аналіз мікроскопічних зображень дозволив встановити особливості структурних перебудов в полімері, що піддається крейзінгу (рис.4).

Рис.4. Схематичне зображення окремих стадій крейзінга-полімеру: I --ініціірованіе крейзі, II - зростання крейзі, III - розширення крейзі.

Зародившись на будь-якому дефекті (неоднорідності структури), які є в достатку на поверхні будь-якого реального твердого тіла, Крейзі ростуть через весь переріз розтягуваного полімеру в напрямку, нормальному осі розтягуючого напруги, зберігаючи постійну і досить малу (~ 1 мкм) ширину. У цьому сенсі вони подібні істинним тріщинах руйнування. Але коли Крейз «перерізає» весь поперечний переріз полімеру, зразок не розпадається на окремі частини, а залишається єдиним цілим. Це обумовлено тим, що протилежні краю такої своєрідної тріщини з'єднані найтоншими ниточками орієнтованого полімеру (Рис.3). Розміри (діаметри) фібрилярних утворень, так само як і розділяють їх мікропорожнеч, - 1--10 нм.

Коли фібрили, що сполучають протилежні стінки крейзі, стають досить довгими, починається процес їх злиття (при цьому площа поверхні зменшується, рис.5). Іншими словами, полімер зазнає своєрідний структурний перехід від пухкої структури до більш компактною, що складається з щільно упакованих агрегатів фібрил, ко-торие орієнтовані в напрямку осі розтягнення.

Рис.5. Схема, що ілюструє колапс структури полімеру, що відбувається при великих зна-ченіях деформації в адсорбційно-активної рідини, на різних стадіях розтягування

Існує метод поділу молекул шляхом адсорбції з розчину тих з них, які здатні проникати в пори даного розміру (Молекулярно-ситовий ефект). Оскільки розмір пір можна легко регулювати, змінюючи ступінь витяжки полімеру в адсорбційно-активному середовищі (використовуючи ефект Ребіндера), легко домогтися вибіркової адсорбції. Важливо відзначити, що використовувані в практиці адсорбенти зазвичай являють собою якийсь порошок або гранулят, яким заповнюють різного роду ємності (наприклад, сорбент в тому ж протигазі). За допомогою ефекту Ребіндера легко отримати плівку або волокно з наскрізною нанометріческой пористістю. Іншими словами, відкривається перспектива створити конструкційний матеріал, що володіє оптимальними механічними властивостями і одночасно є ефективним сорбентом.

За допомогою ефекту Ребіндера елементарним шляхом (простим розтяганням полімерної плівки в адсорбційно-активному середовищі) вдається робити пористі полімерні плівки на основі практично будь-яких синтетичних полімерів. Розміри пір в таких плівках легко регулювати, змінюючи ступінь деформації полімеру, що дозволяє виготовляти розділові мембрани для вирішення найрізноманітніших практичних завдань.

Ефект Ребіндера в полімерах несе в собі великий прикладної потенціал. По-перше, простий витяжкою полімеру в адсорбційно-активної рідини можна отримувати різноманітні полімерні сорбенти, розділові мембрани та полімерні вироби, що мають поперечний рельєф, і, по-друге, ефект Ребіндера дає хіміку-технологу універсальний безперервний метод введення модифікуючих добавок в полімери.

Список використаних матеріалів

1. www.rfbr.ru/pics/28304ref/file.pdf

2. www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/4.html

3. http://femto.com.ua/articles/part_2/3339.html

4. Велика Радянська Енциклопедія. М .: Радянська енциклопедія, 1975, т. 21.

6. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00065/40400.htm

7. http://www.nanometer.ru/2009/09/07/rfbr_156711/PROP_FILE_files_1/rffi4.pdf

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Ребиндера

Розміщено на Allbest.ru

подібні документи

визначення змісту ненасичених вуглеводнів в дизельному паливі по йодному числу. Знаходження мінеральних домішок, щільності і в'язкості, коефіцієнта поверхневого натягу нафтопродуктів. Використання методів Вестфаля-мору і Ребиндера-Вейлера.

курсова робота, доданий 27.11.2014


Вивчення основних видів адсорбції. Фактори, що впливають на швидкість адсорбції газів і парів. Ізотерма адсорбції. Рівняння Фрейндліха і Ленгмюра. Особливості адсорбції з розчинів. Правило Ребиндера, Панета-Фаянсу-Пєскова. Поняття і види хроматографії.

презентація, доданий 28.11.2013


Схоплювання і твердіння різних модифікацій гіпсу. Класифікація та властивості добавок. Визначення поверхневого натягу. Визначення пластичної міцності. Важільний Пластометри Ребиндера. Вплив добавок на кінетику твердіння гіпсового тесту.

курсова робота, доданий 17.02.2013


Загальні відомості про корозії металів, її види та типи. Причини виникнення хімічної та електрохімічної корозії і механізм її протікання. Методи захисту металевих виробів від корозійних процесів. Антикорозійний захист неметаллическими покриттями.

практична робота, доданий 03.11.2011


Особливості хімічних реакцій в полімерах. Деструкція полімерів під дією тепла і хімічних середовищ. Хімічні реакції при дії світла і іонізуючих випромінювань. Формування сітчастих структур в полімерах. Реакції полімерів з киснем і озоном.

контрольна робота, доданий 08.03.2015


Об'єктивні помилки фотометрії. Спектрофотометричні криві хлороформних розчинів. Загальне поняття про фотоелектричний ефект. Метод колориметрического титрування або дублювання. Схема автоматичного фотоколориметр. Практика фотометричних методів.

курсова робота, доданий 30.10.2011


Будова атомів металів. Положення металів в періодичної системі. Групи металів. Фізичні властивості металів. Хімічні властивості металів. Корозія металів. Поняття про сплави. Способи отримання металів.

реферат, доданий 05.12.2003


Аналіз проблем дослідження жаростійких металевих матеріалів, призначених для виготовлення нагрівачів, печей, теплообмінників. Знайомство з найбільш поширеними рівняннями швидкості окислення металів. Загальна характеристика теорії Вагнера.

контрольна робота, доданий 10.04.2015


Ентальпія - функція стану і сума внутрішньої енергії і роботи проти зовнішніх сил. ентальпія освіти складного речовини. Визначення ентальпії реакції нейтралізації. Опис експерименту, обчислення відносної помилки вимірювання.

лабораторна робота, доданий 18.05.2012


Сутність, види, методи отримання, сфери застосування металевих покриттів. Технологія і особливості хімічного сріблення скла. Характеристика основних методів хімічного осадження металів. Міцність прилипання металевого шару до поверхні.

Ребиндером Петро Олександрович (03.Х.1898-12.VII.1972), радянський фізико-хімік, академік АН СРСР з 1946 р (член-кореспондент з 1933 р), народився в Петербурзі. Закінчив фізико-математичний факультет Московського університету (1924). У 1922-1932 рр. працював в Інституті фізики і біофізики АН СРСР і одночасно (в 1923-1941 рр.) - в Московському державному педагогічному інституті ім. К.Лібкнехта (з 1923 - професор), з 1935 р - завідувач відділом дисперсних систем в Коллоидно-електрохімічному інституті (з 1945 р - Інститут фізичної хімії) АН СРСР, з 1942 р - завідувач кафедри колоїдної хімії в Московському університеті.

Роботи Ребиндера присвячені физикохимии дисперсних систем і поверхневих явищ. У 1928 р вчений відкрив явище зниження міцності твердих тіл внаслідокоборотного фізико-хімічного впливу на них середовища (ефект Ребіндера) і в 1930-1940-і рр. розробив шляхи полегшення обробки дуже твердих і важкооброблюваних матеріалів.

Він виявив електрокапілярних ефект пластіфіцірованія металевих монокристалів в процесі повзучості при поляризації їх поверхні в розчинах електролітів, досліджував особливості водних розчинів поверхнево-активних речовин, вплив адсорбційних шарів на властивості дисперсних систем, виявив (1935-1940) основні закономірності освіти і стабілізації пін і емульсій, а також процесу звернення фаз в емульсіях.

Вчений встановив, що миючий дію включає складний комплекс колоїдно-хімічних процесів. Ребиндер вивчив процеси освіти і будова міцел поверхнево-активних речовин, розвинув уявлення про термодинамічної стійкою міцелі мив з ліофобних внутрішнім ядром в ліофільної середовищі. Вчений вибрав і обгрунтував оптимальні параметри для характеристики реологічних властивостей дисперсних систем і запропонував методи їх визначення.

У 1956 р вчений відкрив явище адсорбційного зниження міцності металів під дією металевих розплавів. У 1950-ті рр. вченим була створена нова галузь науки - фізико-хімічна механіка. Як писав сам Ребиндер: «Кінцева завдання фізико-хімічної механіки полягає в тому, щоб розробити наукові основи для отримання твердих тіл і систем з заданими структурою і механічними властивостями. Отже, в завдання цієї області входить створення оптимально спрямованої технології виробництва і обробки по суті всіх будівельних і конструкційних матеріалів сучасної техніки - бетонів, металів і сплавів, особливо жароміцних, кераміки і металокераміки, гум, пластиків, мастильних матеріалів ».

З 1958 р Ребиндер - голова Наукової ради АН СРСР з проблем фізико-хімічної механіки і колоїдної хімії, потім (з 1967 р) голова Національного комітету СРСР при Міжнародному комітеті з поверхнево-активних речовин. З 1968 по 1972 р він був головним редактором «Колоїдного журналу». Вчений нагороджений двома орденами Леніна, мав звання Героя Соціалістичної праці (1968), лауреата Державної премії СРСР (1942).

Ефект Ребіндера, ефект адсорбційного зниження міцності твердих тіл, полегшення деформації і руйнування твердих тіл внаслідокоборотного фізико-хімічного впливу середовища. Відкрито П. А. Ребиндером (1928) при вивченні механічних властивостей кристалів кальциту і кам'яної солі. Можливий при контакті твердого тіла, що знаходиться в напруженому стані, з рідкою (або газової) адсорбційно-активному середовищем. Ефект Ребіндера вельми універсальний - спостерігається в твердих металах, іонних, ковалентних і молекулярних моно- і полікристалічних тілах, стеклах і полімери, частково закристалізуватися і аморфних, пористих і суцільних. Основна умова прояву ефекту Ребіндера - родинний характер контактуючих фаз (твердого тіла і середовища) за хімічним складом і будовою. Форма і ступінь прояву ефекту залежать від інтенсивності міжатомних (міжмолекулярних) взаємодій дотичних фаз, величини і типу напружень (необхідні розтягують напруги), швидкості деформації, температури. Істотну роль грає реальна структура тіла - наявність дислокацій, тріщин, сторонніх включень і ін. Характерна форма прояву ефекту Ребіндера - багаторазове падіння міцності, підвищення крихкості твердого тіла, зниження його довговічності. Так, змочена ртуттю цинкова пластина під навантаженням не гнеться, а крихко руйнується. Інша форма прояву - пластифицирующее дію середовища на тверді матеріали, наприклад води на гіпс, органічних поверхнево-активних речовин на метали і ін. Термодинамічний ефект Ребіндера обумовлений зменшенням роботи утворення нової поверхні при деформації в результаті зниження вільної поверхневої енергії твердого тіла під впливом навколишнього середовища . Молекулярна природа ефекту полягає в полегшенні розриву і перебудови міжмолекулярних (міжатомних, іонних) зв'язків в твердому тілі в присутності адсорбційно-активних і разом з тим досить рухливих чужорідних молекул (атомів, іонів).

Найважливіші області технічного додатка - полегшення і поліпшення механічної обробки різних (особливо високотвёрдих і важкооброблюваних) матеріалів, регулювання процесів тертя і зносу із застосуванням мастил, ефективне отримання подрібнених (порошкоподібних) матеріалів, отримання твердих тіл і матеріалів із заданою дисперсною структурою і необхідним поєднанням механічних і ін. властивостей шляхом дезагрігірованія і подальшого ущільнення без внутрішньої напруги. Адсорбционно-активне середовище може наносити і істотну шкоду, наприклад, знижуючи міцність і довговічність деталей машин і матеріалів в умовах експлуатації. Усунення чинників, що сприяють прояву ефект Ребіндера, в цих випадках дозволяє захищати матеріали від небажаного впливу середовища.

Навіть найміцніші тіла мають величезне число дефектів, які і послаблюють їх опір навантаженню, роблять менш міцними в порівнянні з тим, що передбачає теорія. При механічному руйнуванні твердого тіла процес починається з того місця, де розташовані мікродефекти. Збільшення навантаження призводить до розвитку в місці дефекту мікротріщини. Однак зняття навантаження призводить до відновлення первісної структури: ширина мікротріщини часто буває недостатньою для повного подолання сил міжмолекулярної (міжатомної) взаємодії. Зменшення навантаження призводить до «стягання» мікротріщини, сили міжмолекулярної взаємодії відновлюються практично повністю, тріщина зникає. Справа ще й у тому, що освіта тріщини - це утворення нової поверхні твердого тіла, а такий процес вимагає витрати енергії, рівній енергії поверхневого натягу, помноженої на площу цієї поверхні. Зменшення навантаження веде до «стягання» тріщин, т. К. Система прагне до зменшення енергії, в ній запасеної. Отже, для успішного руйнування твердого тіла необхідно покрити утворюється поверхня спеціальною речовиною, званим поверхнево-активною, яке буде зменшувати роботу з подолання молекулярних сил при утворенні нової поверхні. Поверхнево-активні речовини проникають в мікротріщини, покривають їх поверхні шаром товщиною всього в одну молекулу (що визначає можливість використання дуже малих кількостей добавок цих речовин), запобігаючи процес «схлопування», перешкоджаючи відновленню молекулярного взаємодії.

Поверхнево-активні речовини в певних умовах полегшують подрібнення твердих тіл. Дуже тонке (аж до розміру колоїдних частинок) подрібнення твердих тіл взагалі неможливо здійснити без додавання поверхнево-активних речовин.

Тепер залишається згадати, що руйнування твердого тіла (т. Е. Освіту нових мікротріщин) починається саме з того місця, де розташований дефект структури цього тіла. Крім того, додається поверхнево-активна речовина адсорбується переважно також у місцях розташування дефектів - таким чином полегшується його адсорбція на стінках майбутніх мікротріщин. Наведемо слова академіка Ребиндера: «Відрив частини відбувається саме за цими слабких місцях [розташування дефектів], і, отже, утворюються при подрібненні дрібні частинки тіла вже не містять цих найбільш небезпечних дефектів. Висловлюючись точніше, ймовірність зустрічі небезпечного слабкого місця стає тим менше, чим менше її розміри.

Якщо, подрібнюючи реальне тверде тіло будь-якої природи, ми дійдемо до частинок, розміри яких приблизно такі ж, як відстані між найнебезпечнішими дефектами, то такі частки вже майже напевно не будуть містити небезпечних дефектів структури, вони стануть набагато міцніше, ніж великі зразки того ж самого тіла. Отже, варто тільки подрібнити тверде тіло на досить дрібні шматочки, і ці шматочки тієї ж самої природи, того ж складу будуть найміцнішими, майже ідеально міцними ».

Потім ці однорідні, бездефектні частки треба з'єднати, зробити з них тверде (високоміцне) тіло потрібних розмірів і форми, змусити частинки щільно упакуватися і дуже міцно об'єднатися один з одним. Отримана таким чином деталь машини або будівельна деталь повинна бути набагато міцніше, ніж вихідний матеріал до подрібнення. Звичайно, не настільки міцною, як окрема частка, т. К. В місцях об'єднання виникнуть нові дефекти. Однак при вмілому проведенні процесу об'єднання часток міцність вихідного матеріалу буде перевершена. Для цього потрібно особливо щільно упакувати дрібні частинки, щоб між ними знову виникли сили міжмолекулярної взаємодії. Зазвичай для цього використовують стиснення частинок пресуванням і нагрів. Нагрівають отриманий пресуванням дрібнозернистий агрегат, не доводячи його до плавлення. При підвищенні температури збільшується амплітуда теплових коливань молекул (атомів) в кристалічній решітці. У точках дотику коливаються молекули двох сусідніх частинок зближуються і навіть перемішуються. Сили зчеплення збільшуються, частки стягуються, практично не залишаючи пустот і пір, дефекти місць зіткнення зникають.

У ряді випадків частки вдається склеїти або спаяти між собою. При цьому процес треба вести в такому режимі, щоб прошарку клею або припою не містили дефектів.

Докорінне удосконалення процесу подрібнення твердих тіл, засноване на практичному застосуванні ефекту Ребіндера, виявилося вельми корисним для багатьох галузей промисловості. Технологічні процеси подрібнення істотно прискорилися, при цьому споживання енергії помітно зменшилася. Тонке подрібнення дозволило проводити багато технологічних процесів при менш високих температурах і тисках. В результаті були отримані більш високоякісні матеріали: бетони, керамічні і металокерамічні вироби, барвники, олівцеві маси, пігменти, наповнювачі та багато іншого. Полегшується механічна обробка тугоплавких і жароміцних сталей.

Ось як описує спосіб застосування ефекту Ребіндера він сам: «Будівельні деталі з цементного бетону можуть бути надійно об'єднані в монолітну конструкцію шляхом склеювання цементним віброколлоідним клеєм ... Такий клей являє собою суміш тонкомолотого цементу (частина якого можна замінити тонкомолотого піском) з гранично малою кількістю води і добавкою поверхнево-активної речовини. Суміш розріджується граничним вібрацією в процесі нанесення на поверхні, що склеюються у вигляді тонкого прошарку. Після швидкого затвердіння прошарок клею стає найміцнішим місцем в конструкції ».

Використання ідей академіка Ребиндера щодо полегшення процесу подрібнення твердих тіл має велике практичне значення, наприклад, для розробки методу зменшення міцності мінералів з метою підвищення ефективності буріння в твердих породах.

Зниження міцності металів під дією металевих розплавів.У 1956 р Ребиндер відкрив явище зниження міцності металів під дією металевих розплавів. Було показано, що максимальне зниження поверхневої енергії твердого тіла (металу) майже до нуля можна викликати розплавленими середовищами, які близькі до твердого тіла з молекулярної природі. Так, міцність на розтяг монокристалів цинку вдалося знизити в десятки разів при нанесенні на їх поверхню шару рідкого металу олова товщиною в 1 мікрон і менше. Подібні ефекти для тугоплавких і жароміцних сплавів спостерігаються під дією рідких легкоплавких металів.

Відкрите явище виявилося вельми важливим для вдосконалення способів обробки металів тиском. Цей процес неможливий без застосування мастила. Для матеріалів нової техніки - тугоплавких і жароміцних сплавів - обробка особливо істотно полегшується при застосуванні активних мастил, які розм'якшують тонкі поверхневі шари металу (що, власне, і відбувається під дією невеликих кількостей металевих розплавів). При цьому метал як би змащує сам себе - усувається шкідлива надмірна деформація, що виникає при обробці, яка викликає так званий наклеп - заважає обробці підвищення міцності. Відкриваються нові можливості обробки металів тиском при нормальній і підвищеній температурах: підвищується якість виробів, зменшується знос обробного інструменту, витрата енергії на обробку.

Замість перекладу дорогого металу в стружку в процесі виготовлення виробу різанням можна застосувати пластичне зміна форми: обробку тиском без втрат металу. При цьому якість виробів також підвищується.

Різке зниження міцності поверхневого шару металів відіграє істотну роль в поліпшенні роботи вузлів тертя. Виникає автоматично діючий механізм управління зносом: якщо є випадкові нерівності на поверхнях, що труться (задирки, подряпини і т. П.), В місцях їх дислокації розвивається висока місцеве тиск, що викликає поверхнева течія металів, значно полегшене під дією адсорбованих розплавів (змочений розплавом поверхневий шар металу втрачає міцність). Поверхні, що труться легко прішліфовивать або заполіровивается. Введена «мастило» викликає прискорений «знос» нерівностей, збільшується швидкість підробітки (обкатки) машин.

Активні розплави-домішки можна використовувати в якості модифікаторів процесу кристалізації. Адсорбируясь на кристаликах-зародках виділяється металу, вони зменшують швидкість їхнього зростання. Таким чином, утворюється дрібнозерниста структура металу з більш високою міцністю.

Розроблено процес «тренування» металу в поверхнево-активному середовищі. Метал піддають періодичним поверхневим впливам, які не призводять до руйнування. Через полегшення пластичних деформацій в поверхневих шарах метал у внутрішньому обсязі як би «розминається», відбувається розпорошення кристалічної решітки зерен. Якщо проводити такий процес при температурі, близької до температури початку рекристалізації металу, в поверхнево-активному середовищі відбувається утворення мелкокристаллической структури з набагато більш високою твердістю. Та й подрібнення металів при отриманні тонкого порошку не обходиться без застосування поверхнево-активних розплавів. Надалі з цього порошку отримують вироби гарячим пресуванням (в повній відповідності з описаним вище процесом зміцнення матеріалів з порошків).

Ефект Ребіндера в полімерах. Видатний радянський фізико-хімік академік Петро Олександрович Ребиндер був першим, хто спробував впливати на роботу руйнування твердого тіла. Саме Ребиндера вдалося зрозуміти, яким чином це можна здійснити. Ще в 20-х роках минулого століття він використовував для цієї мети так звані поверхнево-активні, або адсорбційно-активні, речовини, які здатні ефективно адсорбуватися на поверхні навіть при низькій концентрації в навколишньому середовищі і різко знижувати поверхневий натяг твердих тіл. Молекули даних речовин атакують міжмолекулярні зв'язки в вершині зростаючої тріщини руйнування і, адсорбируясь на свіжоутвореними поверхнях, послаблюють їх. Підібравши спеціальні рідини і ввівши їх на поверхню руйнується твердого тіла, Ребиндер домігся вражаючого зменшення роботи руйнування при розтягуванні (рис.1). На малюнку представлені деформаційно-міцнісні криві монокристала цинку (пла-Стінкі товщиною близько міліметра) під час відсутності і в присутності поверхнево-активної рідини. Момент руйнування в обох випадках відзначений стрілками. Добре видно, що якщо просто розтягувати зразок, він руйнується при більш ніж 600% подовженні. Але якщо ту ж процедуру виробляти, завдавши на його поверхню рідке олово, руйнування настає за все при ~ 10% подовженні. Оскільки робота руйнування - це площа під кривою залежності напруги від деформації, неважко помітити, що присутність рідини зменшує роботу навіть не в рази, а на порядки. Саме цей ефект і був названий ефектом Ребіндера, або ад-сорбційними зниженням міцності твердих тіл.

Рис.1. Залежність напруги від деформації монокристалів цинку при 400 ° С: 1 - на повітрі; 2 - в розплаві олова

Ефект Ребіндера - універсальне явище, воно спостерігається при руйнуванні будь-яких твердих тіл, в тому числі і полімерів. Проте, природа об'єкта вносить свої особливості в процес руйнування, і полімери в цьому сенсі не виняток. Полімерні плівки складаються з великих цілих молекул, що утримуються разом силами Ван-дер-Ваальса або водневими зв'язками, які помітно слабкіше, ніж ковалентні зв'язки всередині самих молекул. Тому молекула, навіть будучи членом колективу, зберігає якісь відособленість і індивідуальні якості. Головна особливість полімерів - ланцюгове будова їх макромолекул, яке забезпечує їх гнучкість. Гнучкість молекул, тобто їх здатність змінювати свою форму (за рахунок деформації валентних кутів і поворотів ланок) під дією зовнішнього механічного напруги і ряду інших факторів, лежить в основі всіх характеристичних властивостей полімерів. В першу чергу - здатності макромолекул до взаємної орієнтації. Правда, слід зазначити, що це стосується тільки до лінійних полімерів. Існує величезна кількість речовин, що мають велику молекулярну вагу (наприклад, білки та інші біологічні об'єкти), але не володіють специфічними якостями полімерів, оскільки сильні внутрішньо-молекулярні взаємодії заважають їх макромолекулам згинатися. Більш того, типовий представник полімерів - натуральний каучук, - будучи «зшиті» з допомогою спеціальних речовин (процес вулканізації), може перетворитися на тверду речовину - ебоніт, що не подає взагалі ніяких ознак полімерних властивостей.

В полімерах ефект Ребіндера проявляється своєрідними. У адсорбційно-активної рідини виникнення і розвиток нової поверхні спостерігається не тільки при руйнуванні, а значно раніше - ще в процесі деформації полімеру, яка супроводжується орієнтацією макромолекул.

Рис.2. Зовнішній вигляд зразків поліетилентерефталату, розтягнутих на повітрі (а) і в ад-сорбційно-активному середовищі (н-пропанол) (б).

ребиндер полімер метал міцність

На рис.2 представлені зображення двох зразків лавсану, один з яких був розтягнутий на повітрі, а інший - в адсорбційно-активної рідини. Добре видно, що в першому випадку у зразку виникає шийка. У другому випадку плівка не звужується, зате стає молочно-білою і не прозорою. Причини спостерігається побіління стають зрозумілими при мікроскопічному дослідженні.

Рис.3. Електронна мікрофотографія зразка поліетилентерефталату, деформованого в н-пропанол. (Увел. 1000)

Замість монолітної прозорою шийки в полімері утворюється унікальна фібрилярні-пориста структура складається з нітеобразних агрегатів макромолекул (фібрил), розділених мікропорожнечі (порами). В цьому випадку взаємна орієнтація макромолекул досягається не в монолітної шийці, а всередині фібрил. Оскільки фібрили роз'єднані в просторі, така структура містить величезну кількість мікропорожнеч, які інтенсивно розсіюють світло і надають полімеру молочно-білий колір. Пори заповнюються рідиною, тому гетерогенне будова зберігається і після зняття деформуючого напруги. Фібрилярні-пориста структура виникає в особливих зонах і в міру деформування полімеру захоплює все більший обсяг. Аналіз мікроскопічних зображень дозволив встановити особливості структурних перебудов в полімері, що піддається крейзінгу (рис.4).

Рис.4. Схематичне зображення окремих стадій крейзінга-полімеру: I --ініціірованіе крейзі, II - зростання крейзі, III - розширення крейзі.

Зародившись на будь-якому дефекті (неоднорідності структури), які є в достатку на поверхні будь-якого реального твердого тіла, Крейзі ростуть через весь переріз розтягуваного полімеру в напрямку, нормальному осі розтягуючого напруги, зберігаючи постійну і досить малу (~ 1 мкм) ширину. У цьому сенсі вони подібні істинним тріщинах руйнування. Але коли Крейз «перерізає» весь поперечний переріз полімеру, зразок не розпадається на окремі частини, а залишається єдиним цілим. Це обумовлено тим, що протилежні краю такої своєрідної тріщини з'єднані найтоншими ниточками орієнтованого полімеру (рис.3). Розміри (діаметри) фібрилярних утворень, так само як і розділяють їх мікропорожнеч, - 1--10 нм.

Коли фібрили, що сполучають протилежні стінки крейзі, стають досить довгими, починається процес їх злиття (при цьому площа поверхні зменшується, рис.5). Іншими словами, полімер зазнає своєрідний структурний перехід від пухкої структури до більш компактною, що складається з щільно упакованих агрегатів фібрил, ко-торие орієнтовані в напрямку осі розтягнення.

Рис.5. Схема, що ілюструє колапс структури полімеру, що відбувається при великих зна-ченіях деформації в адсорбційно-активної рідини, на різних стадіях розтягування

Існує метод поділу молекул шляхом адсорбції з розчину тих з них, які здатні проникати в пори даного розміру (молекулярно-ситовий ефект). Оскільки розмір пір можна легко регулювати, змінюючи ступінь витяжки полімеру в адсорбційно-активному середовищі (використовуючи ефект Ребіндера), легко домогтися вибіркової адсорбції. Важливо відзначити, що використовувані в практиці адсорбенти зазвичай являють собою якийсь порошок або гранулят, яким заповнюють різного роду ємності (наприклад, сорбент в тому ж протигазі). За допомогою ефекту Ребіндера легко отримати плівку або волокно з наскрізною нанометріческой пористістю. Іншими словами, відкривається перспектива створити конструкційний матеріал, що володіє оптимальними механічними властивостями і одночасно є ефективним сорбентом.

За допомогою ефекту Ребіндера елементарним шляхом (простим розтяганням полімерної плівки в адсорбційно-активному середовищі) вдається робити пористі полімерні плівки на основі практично будь-яких синтетичних полімерів. Розміри пір в таких плівках легко регулювати, змінюючи ступінь деформації полімеру, що дозволяє виготовляти розділові мембрани для вирішення найрізноманітніших практичних завдань.

Ефект Ребіндера в полімерах несе в собі великий прикладної потенціал. По-перше, простий витяжкою полімеру в адсорбційно-активної рідини можна отримувати різноманітні полімерні сорбенти, розділові мембрани та полімерні вироби, що мають поперечний рельєф, і, по-друге, ефект Ребіндера дає хіміку-технологу універсальний безперервний метод введення модифікуючих добавок в полімери.

Список використаних матеріалів

• 1. www.rfbr.ru/pics/28304ref/file.pdf
• 2. www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/4.html
• 3. http://femto.com.ua/articles/part_2/3339.html
• 4. Велика Радянська Енциклопедія. М .: Радянська енциклопедія, 1975, т. 21.
• 5. http://him.1september.ru/2003/32/3.htm
• 6. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00065/40400.htm
• 7. http://www.nanometer.ru/2009/09/07/rfbr_156711/PROP_FILE_files_1/rffi4.pdf
• 8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Ребиндера