Các tính chất cơ học cấu thể của hệ keo
Khi nồng độ pha phân tán tăng lên hệ có thể chuyển từ dung dịch keo đến chất lỏng kết cấu và chuyển sang các hệ rắn. Dựa vào bản chất của các lực gây nên dính kết các hạt với nhau Rebinder cho rằng: cấu trúc của hệ phân tán có thể chia thành ...
Khi nồng độ pha phân tán tăng lên hệ có thể chuyển từ dung dịch keo đến chất lỏng kết cấu và chuyển sang các hệ rắn. Dựa vào bản chất của các lực gây nên dính kết các hạt với nhau Rebinder cho rằng: cấu trúc của hệ phân tán có thể chia thành cấu thể keo tụ (sol- gel thuận nghịch) và cấu thể ngưng tụ kết tinh (bất thuận nghịch)
Cấu thể keo tụ (sol-gel thuận nghịch)
Khái niệm gel
Cấu thể keo tụ hình thành là do sự dính kết các hạt bằng lực Van der Waals qua lớp mỏng, làm giảm tính bền vững nhiệt động học của hệ phân tán. Nếu các yếu tố bền vững không mất hẳn, các hạt chỉ dính kết tại một số vị trí nào đó mà thôi, tạo nên lưới không gian, ta có gel.
Gel là các hệ được tạo thành từ các sol khi các hạt của pha phân tán bị dính kết ở mộtsố vị trí và tạo nên mạng lưới cấu thể. Những vị trí đó thường là các đầu hạt. Do những chỗ tiếp xúc giữa hai hạt vẫn còn lớp chất lỏng mỏng, nên cấu thể kém vững chắc và có tính dẻo hoặc trong một số trường hợp có tính đàn hồi.
Yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo gel: có nhiều yếu tố.
a. Nồng độ pha phân tán:Khi tăng nồng độ hạt, số va chạm tăng lên và do đó tốc độ tạo gel cũng tăng.
b. Hình dạng hạt:các hạt càng bất đối xứng (hạt hình que, hình phiến) càng dễ tạo gel. Những chỗ yếu trên bề mặt các hạt này là các đầu, góc và cạnh, tại đó lớp điện kép và lớp vỏ solvat hóa phát triển kém nhất nên sự dính kết dễ xảy ra.
Ví dụ: Keo V2O5 dạng hình que có thể ở dạng cấu thể khi nồng độ rất loãng (0,1%).
c. Kích thước hạt: khi nồng độ trọng lượng hạt không đổi nếu kích thước hạt càng nhỏ càng dễ tạo gel.
d. Yếu tố chất thứ ba trong hệ: khi thêm vào hệ một chất có khả năng phân bố lại bề mặt thì có thể làm thay đổi cấu trúc của hệ và hình thành hay ngăn cản sự tạo nên cấu thể trong hệ.
Ví dụ: sơn dầu gồm các hạt sắc tố ưa nước trong môi trường phân tán dầu. Nếu thêm vào hệ một ít nước sẽ làm cho sơn dầu dễ bị tạo thành màng lưới có tính chất gel. Đó là do những hạt sắc tố ưa nước sẽ bị phủ một màng nước trong môi trường không phân cực là dầu, hình thành bề mặt phân cách dầu - nước khá lớn; với xu hướng giảm bề mặt để hệ được bền hơn các hạt sắc tố sẽ liên kết lại với nhau tạo thành lưới cấu thể có tính chất gel.
Ví dụ: Sol V2O5 khi chịu tác động cơ học nhẹ, các hạt bất đối xứng V2O5 sẽ định hướng theo trường lực, do đó dễ tạo ra các vị trí tiếp xúc để tạo gel.
e. Nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng nhiều đến tốc độ tạo gel, thông thường nhiệt độ càng thấp, chyển động Brown càng yếu, khả năng tạo gel càng lớn và nhanh.
f. Tác động cơ học: sự khuấy động hoặc rung bên ngoài hệ sẽ phá vỡ khối gel. Tuy nhiên cũng có trường hợp khi tác động cơ học nhẹ và đều theo một hướng xác định thì tốc độ tạo gel cũng tăng lên.
Một số tính chất của hệ cấu thể keo tụ .
a. Tính sol - gel thuận nghịch: đó là khả năng của hệ có thể tự phục hồi cấu thể trong một thời gian sau khi bị phá vỡ vì một lực cơ học nào đó, tức là ta có cân bằng :
Sự phục hồi có thể xảy ra không những khi hệ đứng yên mà cả khi hệ chảy với tốc độ thấp hơn tốc độ có thể phá vỡ gel. Hiện tượng này thường gặp trong tự nhiên. Một số nguyên sinh chất trong tế bào có tính gel - sol thuận nghịch, gel miosin thể hiện tính đó rất rõ trong quá trình vận động của bắp thịt.
b. Tính tự biến dạng: Hệ có cấu thể keo tụ có khả năng biến dạng mà lưới không gian không bị phá vỡ.
c. Tính co (teo): Đó là khả năng tự ý giảm kích thước của gel, làm thoát môi trường phân tán ra khỏi các mắc lưới. Nguyên nhân là do lúc đầu trong sự tạo gel, giữa các yếu tố cấu thể có số điểm tiếp xúc còn ít, dần dần do chuyển động nhiệt, có sự sắp xếp lại các hạt, số điểm tiếp xúc tăng lên, gel bị nén lại, đẩy một phần môi trường phân tán ra ngoài. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự keo tụ đều có ảnh hưởng đến sự co.
d. Tính trương: đó là khả năng hấp thụ môi trường phân tán vào gel khô làm cho thể tích của nó tăng lên (ngược với hiện tượng co). Tuy nhiên vì liên kết giữa các hạt trong gel kỵ lỏng khá vững chắc nên đối với gel khô kỵ lỏng tính trương không đặc trưng. Tính trương đặc trưng nhất trong các hệ chất cao phân tử.
Cấu thể ngưng tụ kết tinh
Cấu thể ngưng tụ kết tinh là cấu thể trong đó liên kết giữa các hạt là liên kết hóa học. Ví dụ: hydrosol H2SiO3
Loại cấu thể này không có tính sol- gel thuận nghịch, tính dẻo, tính đàn hồi mà lại có tính dòn. Tính vững chắc của cấu thể này lớn hơn của loại cấu thể keo tụ rất nhiều. Tính co, tính trương không thể hiện đối với loại cấu thể ngưng tụ kết tinh.
Cấu thể ngưng tụ kết tinh hình thành trong quá trình ngưng tụ các polime hay kết tinh các chất từ dung dịch, từ hợp kim. Đó là các quá trình diễn ra khi sử dụng các loại xi măng và các loại chất kết dính khác (như đất sét, vôi, thạch cao, casein …). Có thể điều khiển quá trình tuân theo yêu cầu bằng cách thêm vào hệ các chất polymer và các chất điện ly.
Trong thực tế, quá trình chuyển từ loại kết cấu keo tụ sang loại kết cấu ngưng tụ tinh thể thường diễn ra khi làm khô, ép và thiêu kết loại kết cấu keo tụ.
Các chất rắn thuộc loại ngưng tụ kết tinh có ý nghĩa thực tế rất lớn, chúng là những nguyên vật liệu như xi măng, bê tông, các chất kết dính khác nhau, đất, nhũ tương đất sét, các loại kem khác nhau, sợi tổng hợp, nhựa dẻo, các loại vật liệu khác. .
Độ nhớt của các dung dịch
Khi tác động một lực không lớn lắm lên bề mặt thoáng của chất lỏng, ta thấy chất lỏng chuyển động không quá nhanh theo nhiều lớp mỏng, với tốc độ di chuyển giảm dần từ lớp màng xuống các lớp dưới, được gọi là sự chảy tầng. Theo định nghĩa của Newton độ nhớt là lực ma sát nội trên 1 đơn vị diện tích bề mặt để duy trì một gradien tốc độ chuyển động giữa các lớp chất lỏng.
F=η.S.dudx=P.S size 12{F=η "." S "." { { ital "du"} over { ital "dx"} } =P "." S} {} (7.1)
P=η.dudx size 12{P=η "." { { ital "du"} over { ital "dx"} } } {} (7.2)
F: lực bên ngoài gây sự chuyển dịch, bằng lực ma sát nội về trị số và ngược chiều.
η: hệ số tỷ lệ hay là độ nhớt, phụ thuộc vào bản chất chất lỏng. Thứ nguyên của độ nhớt là g/cm.giây, có tên là poa (poise).
du/dx: gradien biến thiên tốc độ chảy theo khoảng cách giữa các lớp.
P: lực gây ra sự chuyển dịch, qui về 1 đơn vị diện tích. Vậy 1 poa là độ nhớt của chất lỏng mà trong đó cần lực là 1dyn/cm2 để duy trì gradien tốc độ 1cm/giây trên khoảng cách 1cm.
Đại lượng 1/ η gọi là độ chảy, đặc trưng cho độ linh động của chất lỏng (linh độ) dưới tác dụng của lực ngoài. Khi sự chảy là chảy dòng, có tốc độ chảy nhỏ, qua phương trình thực nghiệm Poiseulle có thể tính được tốc độ thể tích v của chất lỏng chảy qua ống mao quản có bề dài l có bán kính r và hiệu số áp suất ở hai đầu ống là p theo công thức: v = π.r4.p8η.l size 12{ { {π "." r rSup { size 8{4} } "." p} over {8η "." l} } } {} (7.3)
Trong trường hợp tốc độ chảy khá lớn thì chất lỏng không chảy dòng nữa mà chảy cuộn, khi đó độ nhớt không chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chảy, và lúc đó gọi là độ nhớt hiệu dụng.
Độ nhớt của các hệ keo
Sự chảy của hệ keo khác với của chất lỏng nguyên chất hay dung dịch phân tử vì kích thước của hạt keo lớn hơn của phân tử khá nhiều. Các hạt keo đã làm đường đi của các phân tử trong sự chảy lạc đi và gây nên sự chảy cuộn. Trong khi các phân tử được định hướng theo phương chảy, các hạt keo với kích thước khá lớn đã làm tăng gradien tốc độ trung bình theo hướng vuông góc với phương chảy, do đó độ nhớt của hệ keo hơi cao hơn độ nhớt của môi trường, và là độ nhớt hiệu dụng.
Độ nhớt hiệu dụng của hệ keo phụ thuộc vào nhiều yếu tố :
- điều kiện của thí nghiệm
- cường độ của lực tác dụng
- nồng độ của hệ : nồng độ pha phân tán tăng thì độ nhớt cũng tăng
- hình dạng của hạt : khi các hạt có dạng hình que, hình tấm thì độ nhớt của hệ lớn hơn của hạt có dạng đối xứng
- trong các hệ có hình thành cấu thể xốp (có một lượng môi trường phân tán bị giam hãm trong cấu thể) độ nhớt của hệ tăng lên rất nhiều, phụ thuộc vào tốc độ chảy và được gọi là độ nhớt cấu thể.
