ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО  «Воронежский государственный технический  университет» 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных  технологий»

Тема  «Дисперсные материалы и их использование в технологиях» 
 
 

Выполнил студент  гр. ЭК-093 И.Н. Карзанов

Руководитель: И.Б. Корчагин

Члены комиссии 
 

Воронеж 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

     Дисперсные  системы - это микрогетерогенные  системы, состоящие из двух или более  фаз. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы  дисперсной фазы. Обычно интервал размеров частиц дисперсных фаз может изменяться от нескольких нанометров до ~100 мкм.

     В ряду объектов физической химии дисперсные системы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным  применением, исключительной ролью  в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи  с весьма специфическими физико-химическими  свойствами.

     К числу дисперсных систем относятся  столь резко различающиеся по химическому и фазовому составам, физическим свойствам, областям существования  и применения объекты, как аэрозоли (туманы, дымы, космическая пыль), золи металлов и природных минералов, донные отложения рек, морей и  океанов, грунты и почвы, мелкие пески, сырая нефть и природные битумы, пигменты и высокодисперсные наполнители  для лакокрасочных и композиционных материалов, керамические массы, цементы  и бетонные смеси на их основе, мука и мучное тесто, водоугольные суспензии  и золы от сжигания твердых топлив, водные суспензии целлюлозных волокон  для производства бумаги, катализаторные массы, сырьевые шламы многих химических производств. К дисперсным системам относятся также все многообразные  виды пен и эмульсий. Этот перечень можно продолжать, что указывает  на важное значение дисперсных систем как в природных явлениях, так  и при проведении разнообразных  технологических процессов, осуществляемых с их участием. К этому нужно  добавить, что многие виды дисперсных систем служат стартовой основой  для получения дисперсных материалов, таких, как бетоны, лакокрасочные  материалы, высоконаполненные резины и пластики, гетерогенные твердые ракетные топлива, керамические и металлокерамические материалы, бумага и картон, искусственные кожи и множество других материалов.

     Что же объединяет все это разнообразие резко различающихся между собой  по свойствам, области существования  и применения дисперсных систем и  материалов, какова общая физико-химическая основа для их изучения, описания и  регулирования свойств? В известной  степени ответы на эти вопросы  содержатся в самом определении  понятия "дисперсные системы". Общие  для всех дисперсных систем фундаментальные  физико-химические признаки: гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела  между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных  свойств дисперсных систем и прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивостей становится более  существенной по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера  частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно увеличивается и  свободная (избыточная) межфазная энергия, а эта энергия, как следует  из принципа Гиббса-Гельмгольца, в дисперсных системах стремится самопроизвольно  уменьшиться.

     Актуальность  темы «Дисперсные системы и их применение в технологиях» можно  объяснить необходимостью оптимизации процессов создания новых материалов, основанных на применении дисперсных систем.

     Целью данной работы является изучение теоретических  сведений о дисперсных системах, их строении, классификации и свойствах, а также об их применении в технологических процессах. В качестве примера рассматриваются твердые гетерогенные системы (карбон), газовые пены (пенопласт) и порошки (полипропилен) 
 

     1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 

     Кристаллы любого вещества, например, сахара или  хлорида натрия можно получить разного  размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для  данного вещества внутреннюю структуру  – молекулярную или ионную кристаллическую  решетку.

      При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия образуются соответственно молекулярные и ионные растворы. Таким  образом, одно и то же вещество может  находиться в различной степени  раздробленности: микроскопически  видимые частицы (>0,2-0,1 мм, разрешающая  способность глаза), микроскопически  видимые частицы (от 0,2-0,1 мм до 400-300 нм, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и  отдельные молекулы (или ионы). Постепенно складывались представления о том, что между  миром молекул и  микроскопически видимых частиц находится область раздробленности  вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации  вещества.

      Представим  себе кубик какого-либо вещества, который  будем разрезать параллельно  одной из его плоскостей, затем  полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние – на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) вещества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если длина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены сего помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400-300 нм до 1 нм – коллоидным состоянием вещества.

      Дисперсные  (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсионной фазы.

      Поскольку дисперсная (прерывная) фаза находится  в виде отдельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие  от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные  системы называют также ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз  не может быть обнаружена в световом микроскопе.

      Когда вещество находится в окружающей среде в виде молекул или ионов, то такие растворы называют истинными, т.е. гомогенными однофазными растворами.

      Обязательным условием получения дисперсных систем является нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Напри мер, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

      Дисперсные  системы классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности  взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

      Количественной  характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, D) – величина, обратная размеру (a) дисперсных частиц:

                                                                                                              (1)

     Здесь a равно диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок

     Степень дисперсности численно равна числу  частиц, которые можно плотно уложить  в ряд (или стопку пленок) на протяжении одного сантиметра. В табл. 1 приведены условно принятые границы размеров частиц систем с различной раздробленностью вещества.

     Таблица 1. Классификация корпускулярно-дисперсных систем по степени дисперсности

     Если  все частицы дисперсной фазы имеют  одинаковые размеры, то такие системы  называют монодисперсными (рис.1 а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис. 1, в)

Рис. 1 Свободнодисперсные системы.                                  Корпускулярно- (а-в), волокнисто- (г) и пленочно-дисперсные (д)                                                        

     С повышением дисперсности все большее  и большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению  с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность S_уд = S/V, которая для частиц сферической формы равна:

     S_уд = 4πr²/(4/3 πr³) = 3/r=6/d                                                         (2)

А для  частиц кубической формы

        S_уд =5l²/l³ = 6/l                                                                                  (3)

Где r – радиус шара, d – его диаметр, l – длина ребра куба

      Так, удельная поверхность вещества, раздробленного до микронных кубиков, составляет 6*10⁴ см^-1. При этом из 1 см³ образуется 10¹² микронных кубиков с суммарной поверхностью (S = S_уд * V), равной 6 * 10⁴ см² (6 м²). При дальнейшем дроблении 1 см³ вещества до кубиков коллоидной дисперсности, например, с длиной ребра l = 10^-6 см (10 нм), их число достигает 10¹⁸ частиц, суммарная поверхность – 6 * 10⁶ см² (600 м²), а удельная поверхность – 6 * 10⁶ см^-1.

      Следовательно, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

      Многообразие  дисперсных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При схематической записи агрегатного  состояния дисперсных систем первым называют буквами Г (газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсионной среды, затем ставят тире и записывают агрегатное состояние дисперсной фазы.

      Дисперсные  системы с газообразной дисперсионной  средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г₁ – Ж₂), а пыль и дым – аэрозоли с твердой дисперсной средой (Г₁ – Т₂); пыль образуется при диспергировании веществ, а дым – при конденсации летучих веществ.

      Пены  – это дисперсия газа в жидкости (Ж₁ – Г₂), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (Ж₁ – Ж₂). Низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях (Ж₁ – Т₂) называют суспензиями или взвесями, а предельно-высокодисперсные – коллоидными растворами или золями, часто лиозолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость (от греч. «лиос» - жидкость). Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость – органозолями.

      Дисперсные  системы могут быть свободнодисперсными (рис. 1 а-в) в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, линозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы – твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму.  Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.

      Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости зля, называют гелеобразованием (или же латиированием). Сильно вытянутая и пленочно-листочковая  форма дисперсных частиц повышает вероятность  контактов между ними и благоприятствует образованию гелей при малой  концентрации дисперсной фазы. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем. Почва, образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических веществ), также представляет собой связнодисперсную систему. Сплошную массу вещества могут пронизывать  поры и капилляры, образующие капилляродисперсные  системы. К ним относятся, например, древесина,  разнообразные мембраны и диафрагмы, кожа, бумага, картон, ткани. 
 
 
 
 
 
 
 

      2  ВИДЫ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

     2.1 КАРБОН 

Карбон (углепластик) — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/куб.м.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и  малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют  в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.

Для придания еще  большей прочности данные ткани  из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Области применения:

·  ракетно-космическая техника

·  авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение)

·  судостроение (корабли, спортивное судостроение)

·  автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг и отделка)

·  наука и исследования

·  усиление железобетонных конструкций

Дороговизна карбона  вызвана, прежде всего, более сложной  технологией производства и большей  стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев  используются более дорогие и  качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое  оборудования (к примеру, такое как автоклав).

Недостатком карбона  является боязнь «точечных» ударов. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.

Наконец, когда  приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут  быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик  же не так легок и дешев в  переработке и поэтому его  вторичное использование под  большим вопросом.  
 
 
 
 
 
 
 

     2.2 ПЕНОПЛАСТ

   Пенопласт (пенополистирол) — это тепло- и звукоизоляционный материал белого цвета, на 98% состоящий из воздуха, заключенного в миллиарды микроскопических тонкостенных клеток из вспененного полистирола.

    Пенопласт  обладает отличными теплоизолирующими  свойствами, которые не изменяются  при повышении или снижении  температуры окружающей среды,  влажности воздуха;

      При комнатной температуре пенопласт  является нетоксичным, биологически безопасным для человека и животных материалом, который кроме своего основного  применения в строительстве, часто  используется в качестве упаковки продуктов  питания;

       Продукты сгорания пенопласта  токсичны, для смертельного отравления  достаточно двух вдохов. К тому  же, в настоящее время в качестве  сырья для пенопласта применяется  самозатухающий пенополистирол, в  результате чего пенопласт не  поддерживает горения, а тлеет,  выделяя вместе с основными  токсичными веществами ещё и  крайне ядовитый бромводород.  Линейная скорость распространения  огня по поверхности пенополистирола  1 см/сек, в 1,5 – 2 раза превышающая  скорость распространения огня  по сухой древесине, объясняет  чрезвычайно высокую скорость  распространения огня в зданиях,  утепленных пенополистиролом.

       Пенопласт — это чрезвычайно  легкий материал, 98% его объема  составляет воздух, благодаря чему  довольно удобен и прост при  монтаже, укладке и креплении;

       Пенопласт не подвержен воздействию  микроорганизмами и не создает  благоприятной среды для развития  водорослей и грибов;

     Легкость  обработки при помощи любых подсобных  инструментов, в том числе пилы, ножа и т.п., возможность склеивания с различными строительными материалами.

По показателям  физико-механических свойств плиты  пенопласта должны соответствовать  нормам, изложенным в ГОСТ 15588-86.

Области применения:

• теплоизолятор в бытовых приборах, таких как  холодильники
• упаковка для различных товаров, в том числе для пищевых
• декоративные элементы внутренней отделки, такие как плинтусы и потолочная
• плитка.теплоизолятор в строительстве, в т.ч. для наружного утепления

     2.3 ПОЛИПРОПИЛЕН

   Полипропилен  получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов

   Параметры, необходимые для получения полипропилена  близки к тем, при которых получают полиэтилен низкого давления. При этом, в зависимости от конкретного катализатора, может получаться любой тип полимера или их смеси.

   Полипропилен  выпускается в виде порошка белого цвета или гранул с насыпной плотностью 0,4—0,5 г/см³. Полипропилен выпускается  стабилизированным, окрашенным и неокрашенным.

   В отличие  от полиэтилена, полипропилен менее  плотный (плотность 0,90 г/см³, что является наименьшим значением вообще для всех пластмасс), более твёрдый (стоек к истиранию), более термостойкий (начинает размягчаться при 140°C, температура плавления 175°C), почти не подвергается коррозионному растрескиванию. Обладает высокой чувствительностью к свету и кислороду (чувствительность понижается при введении стабилизаторов).

   Поведение полипропилена при растяжении ещё  в большей степени, чем полиэтилена, зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры. Чем ниже скорость растяжения полипропилена, тем выше значение показателей механических свойств. При высоких скоростях  растяжения разрушающее напряжение при растяжении полипропилена значительно  ниже его предела текучести при  растяжении.

Полипропилен  химически стойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители — хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум. Концентрированная 58%-ная серная кислота и 30%-ная перекись водорода при комнатной температуре действуют незначительно. Продолжительный контакт с этими реагентами при 60ºC и выше приводит к деструкции полипропилена.

В органических растворителях полипропилен при  комнатной температуре незначительно  набухает. Выше 100ºC он растворяется в  ароматических углеводородах, таких, как бензол, толуол.

   Полипропилен  — водостойкий материал. Даже после  длительного контакта с водой  в течение 6 месяцев (при комнатной  температуре) водопоглощение полипропилена  составляет менее 0,5%, а при 60ºС —  менее 2%.

   Полипропилен  имеет более высокую температуру  плавления, чем полиэтилен, и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый изотактический полипропилен плавится при 176ºC. Максимальная температура  эксплуатации полипропилена 120—140ºС. Все  изделия из полипропилена выдерживают  кипячение, и могут подвергаться стерилизации паром без какого-либо изменения их формы или механических свойств.

   Полипропилен  используется для производства плёнок (особенно упаковочных), тары, труб, деталей технической аппаратуры, нетканых материалов и др.; электроизоляционный материал, в строительстве для вибро- шумоизоляции межэтажных перекрытий. При сополимеризации пропилена с этиленом получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука, отличающиеся повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению. 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      В  процессе выполнения данной работы были получены сведения по основным химическим характеристикам дисперсных систем, их классификацию по дисперсности (число частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или стопку пленок) на протяжении одного сантиметра), агрегатному состоянию дисперсной фазы (жидкая, твёрдая, газообразная) и дисперсионной среды (пены – дисперсия газа в жидкости, эмульсии - дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости, суспензии - низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях, коллоидные растворы  -  предельно-высокодисперсные системы), интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

      К наиболее известным примерам дисперсных материалов (в частности – к рассматриваемым в работе композитным материалам, порошкам и пенам) относятся карбон, пенопласт и полипропилен. Их физические свойства различаются в зависимости от области применения. 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы. 

1 Глинка  Н.Л. Общая химия. / Под ред. В.А.  Рабиновича. - Л.: Химия 1985 г. –  704 с.

2 Волоцкий  С.С. Курс коллоидной химии.  М.: «Химия», 1975 г. – 479 с.

3 Коровин  Н.В. Общая химия. М.: «Высшая школа» 1998 г. – 559 с.

4 Гинберг  П.А., Хохлов Б.А. «Технология важнейших  отраслей промышленности». –  М.: Высшая школа, 1985 г. - 496 с.

5 Рабинович  В.А. «Дисперсные системы».// «Большая  энциклопедия химии» - 1985 г. –  704 с

6 Фридрихсберг  Д.А. Курс коллоидной химии.  Л.: «Химия», 1995 г. – 403 с.

7 Фролов  В.В. Химия. – М.: Высшая школа, 1986 г. – 543 с

8 Любин  Дж. Композиционные материалы. –  М.: Машиностроение, 1988 г. – 448 с