Основы физико-химической механики

Процессы нарушения агрегативной устойчивости дисперсных систем (см. гл. VII, VIII) приводят к их разделению на макрофазы или к развитию в объеме системы пространственной сетки-структуры, т. е. к переходу свободнодисперсной системы в связнодисперсную, в которой силы сцепления в контактах между частицами достаточно велики, чтобы противостоять тепловому движению и внешним воздействиям. При этом наблюдается радикальное изменение дисперсной системы, которая приобретает комплекс новых структурно-механических (реологических) свойств, характеризующих ее способность сопротивляться деформации и разделению на части. Система приобретает механическую прочность — главное свойство всех твердых тел и материалов, определяющее их роль в природе и технике. Закономерности структурообразования в дисперсных системах, механические свойства структурированных систем и получаемых на их основе разнообразных материалов с особым вниманием к роли физико-химических явлений на границе раздела фаз изучает обширный самостоятельный раздел коллоидной химии, названный физико-химической механикой.

Физико-химическая механика возникла в 30 — 40-х годах XX века и оформилась как самостоятельная научная дисциплина в 50-е годы в основном в трудах советских ученых и прежде всего академика П. А. Ребиндера с коллективом его учеников и последователей. Объекты исследования и приложения физико-химической механики широки. Сюда входят такие природные объекты, как горные породы и почвы, ткани живых организмов, а также всевозможные дисперсные системы в химико-технологических процессах (пасты, порошки, суспензии), различные материалы современной техники. Разнообразие объектов обусловлено универсальностью дисперсного состояния вещества и универсальной ролью механических свойств, когда важна высокая прочность (материала, конструкции, грунта и т. д.) и, напротив, когда требуется преодолеть сопротивление деформации и разрушению (процессы перемешивания, формования, измельчения, механической обработки).

Среди дисперсных систем и материалов особенно важны высокодисперсные, прежде всего наносистемы с размером частиц 1 — 100 нм. Обеспечение высокой дисперсности (и предельно возможной однородности микрогетероген ной структуры) лежит в основе всех главных путей повышения прочности и долговечности материалов. Вместе с тем именно в тонкодисперсных системах с их высокоразвитой межфазной поверхностью обеспечивается наиболее интенсивное протекание многочисленных гетерогенных химико-технологических процессов, массои теплообмена. Однако именно высокодисперсные системы труднее всего поддаются формованию вследствие большого числа контактов между частицами, сцепление которых представляет собой проявление поверхностных физико-химических взаимодействий. Наиболее эффективное управление свойствами системы достигается оптимальным сочетанием механических воздействий (в частности, вибрационных) и физико-химических методов регулирования молекулярных взаимодействий на межфазных границах с помощью среды и поверхностно-активных веществ.

Изучая связь механических свойств дисперсных систем и материалов с их структурой и явлениями, происходящими на границах раздела фаз, физико-химическая механика разрабатывает на этой основе новые пути управления структурой и механическими свойствами твердых тел и материалов. П. А. Ребиндер так определял главные задачи физико-химической механики: «Они сводятся к изучению физико-химических закономерностей и механизма деформационных процессов и разрушения твердого тела (в зависимости от его состава и структуры, влияния температуры и внешней среды) и процессов структурообразования (развитие пространственных структур, образующих твердое тело с заданными механическими свойствами)» (см. [И], с. 31).

В данной главе описание механических свойств различных жидкои твердообразных тел и материалов ведется с позиций реологии. Рассматриваются закономерности возникновения, природа и основные характеристики контактов между частицами в структурированных системах. На основе этих двух подходов анализируются характерные механические свойства реальных дисперсных систем и пути управления ими. Значительное внимание уделено эффекту Ребиндера — адсорбционному влиянию среды на механические свойства твердых тел [11].