Влияние концентрации пластификаторов на относительное изменение поверхностного натяжения на границе твердое тело – жидкость

АННОТАЦИЯ

Измерено поверхностное натяжение на границе «пластификатор-раствор-воздух» (δ_s-g) и предельные углы увлажнения (θ) на полированной поверхности мрамора (CaCO₃), имеющие сходство с мелом химического состава и использование на этом исследовании как система моделирования. Поверхность CaCO₃ была отполирована, вымыта раствором Na₂CO₃, а затем дистиллированной водой для определения предельного угла увлажнения.

ABSTRACT

There have been measured the surface tension on border «a plasticizer solution-air» (δ_s-g) and limiting corners of moistening (θ) on the polished surface of  a marble (CaCO₃), having similar to chalk a chemical composition and using in this investigation as modelling system. CaCO₃ surface has been polished, washed out by Na₂CO₃ solution and then the distilled water for determination of the limiting corner of moistening.

Интенсивное развитие многих отраслей промышленности, связанных с процессами получения и применения минеральных дисперсных систем, повышения качества изделий, улучшения их физико-технических характеристик, модернизация производства и применение  новых  современных технологий при производстве материалов и изделий, невозможны  без фундаментальных и прикладных  исследований в различных областях науки, в том числе в области химии дисперсных систем и поверхностных явлений. Актуальным в коллоидной химии и физико-химической механики, является регулирование процессов структурообразования, повышение агрегативной устойчивости  и достижения максимальной текучести концентрированных дисперсных систем в динамических и статических условиях.

В настоящее время прямых методов измерения поверхностного натяжения на границе твердое тело – жидкость практически не существует, в связи с чем изменение σ_т-ж при образовании адсорбционного слоя  поверхностно – активных веществ молекул на поверхности гидрофильных частиц мела оценивали косвенно, по изменению работы смачивания  

W_cм = σ_т-г - σ_т-ж = σ_ж-г · cosθ.

Были измерены поверхностное натяжение на границе раствор пластификатора – воздух (σ_т-г) и краевые углы смачивания ( θ ) на отполированной поверхности мрамора  ( Са СО₃)  имеющего близкий к мелу химический  состав и используемые в данном случае в качестве модельной системы.

Для определения краевого угла смачивания на поверхности СаСО₃ образец полировали, затем отмывали раствором  Na₂CO₃ и тщательно промывали дистиллированной водой. Каплю раствора наносили микро шприцом, краевой  угол определяли по методике [1].Средние данные по результатам 5-7 измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние концентрации пластификаторов на краевой угол смачивания СаСО₃ и поверхностное натяжение на границе раствор – воздух

Работу смачивания определяли как произведение значений краевого угла  смачивания и поверхностного натяжения на границе раствор – воздух. Характер влияния концентрации исследуемых пластификаторов на величину работы смачивания представлен на рисунке 1. 

Рисунок 1. Влияние концентрации пластификаторов на работу смачивания СаСО₃ (мрамор): 1 – ВПФС; 2 – СБ-5

Поскольку поверхностное натяжение на границе твердое тело – газ ( σ_т-г) оставалось постоянным, увеличение работы смачивания свидетельствует о снижении поверхностного натяжения на границе твердое тело – раствор ( σ_т-ж) при введении пластификаторов. Снижение значения σ_т-ж свидетельствует о гидрофилизации поверхности СаСО₃. Наиболее интенсивно σ_т-ж уменьшается при введении ВПФС. Это можно объяснить тем, что ароматические кольца в молекулах ВПФС содержат больше окиси групп, чем в молекулах СБ-5.

Были проведены исследования влияния пластификаторов на электрокинетический потенциал частиц мела, глинозема (Al₂O₃) и кремнезема (SiO₂) методом потенциала протекания [2]. Добавки вводили в количестве 0,1-0,3% от массы дисперсной фазы.

Расчет электрокинетического потенциала проводили по формуле:

где

ζ – электрокинетический потенциал, мВ;

η – вязкость дисперсионной среды, Па-с;

ε -  относительная  диэлектрическая проницаемость среды,  Ф/м;

ε_ο = 8,85 · 10^-12 Ф/м,

æ – удельная электропроводность, Ом^-1 · м^-1.

удельную электропроводность определяли по формуле :

где, 

æ_КСl – удельная электропроводность стандартного раствора KCl;

W – электропроводность ячейки с дисперсионной средой, Ом;

W_КСl – электропроводность ячейки, заполненной стандартным раствором  KCl;

Результаты исследований представлены в таблице 2 и рисунках 2-3.

Таблица. 2

Влияние различных концентраций ВПФС на значение ζ – потенциала

Рисунок 2. Влияние концентрации добавок на электрокинетический потенциал частиц мела: 1- ВПФС; 2 – СБ – 5 ; С-3.

Рис. 3. Влияние концентрации добавок на электрокинетическийпотенциал  частиц  глинозема: 1- ВПФС; 2 – СБ – 5 ; С-3.

Изменение ζ – потенциала обусловлено двумя факторами. Во-первых, анионактивные олигомерные добавки, адсорбируясь на поверхности дисперсной фазы, будут увеличивать абсолютное значение отрицательного потенциала поверхности. С другой стороны, по мере нормирования адсорбционного слоя граница скольжения будет отодвигаться в глубину раствора, что будет уменьшать абсолютное значение потенциала на границе скольжения, Второй фактор объясняет, например, уменьшение ζ–потенциала при адсорбции незаряженных высокомолекулярных соединений, как на гидрофильных, так и на гидрофобных поверхностях и подробно рассмотрен в ряде монографий и статей [3, 4].

Сравнивая значения ζ – потенциала и реологические параметры, следует отметить, что в общем случае наблюдается корреляция между ходом изменения  значений электрокинетического потенциала и реологических параметров систем.      

Так, для  меловых суспензий введение добавок  пластификаторов  ВПФС и СБ-5 в количестве 0,15%  приводит к снижению τ_ο до нуля, значение пластической вязкости приближается к своему минимальному значению. При таких же концентрациях олигомеров значение  ‌│ζ‌│ - потенциала увеличивается  до своего максимального значения (с -15 мВ до – 70 и – 65 мВ соответственно). Наблюдается определенное  соответствие зависимости значений  τ_ο и ζ – потенциалов суспензий  SlO₂ и Al₂O₃. При концентрациях добавок, снижающих значение τ_ο практически до нуля, максимальное значение по модулю имеет и   ζ – потенциал суспензий.

ВПФС в большей степени увеличивает абсолютное значение ζ – потенциалов, что также коррелирует с реологическими данными для этих суспензий. Равновесное значение рН суспензий при введении добавок до 0,3% менялось незначительно с 7,5 до 8.