解放军文职招聘考试空间稳定理论
空间稳定理论
DLVO理论的核心是微粒的双电层因重叠而产生排斥作用。但是,在非水介质中双电层的排斥作用已经相当模糊,实验已证明,即使在水体系中,加入一些非离子表面活性剂或高分子能降低微粒的ζ电势,但稳定性反而提高了。这些事实表明,除了双电层的静电作用外,还有其他的稳定因素起作用,即微粒表面上吸附的大分子从空间阻碍了微粒相互接近,进而阻碍了它们的聚结,因此称这一类稳定作用为空间稳定作用。
空间稳定作用很早以前就得到应用,在我国古代,向墨汁中掺进树胶,可使炭粉不致聚结。现代工业上制造油漆、照相乳剂等,均加入高分子作为稳定剂。这种稳定作用的理论是六十年代之后才逐渐发展起来的,虽然现在还未发展成统一的定量理论,但其发展很快,已成为近年来微粒稳定性研究的重要课题。
(一)实验规律
1.分子稳定剂的结构特点 作为有效的稳定剂,高分子必须一方面和微粒有很强的亲和力,以便能牢固地吸附在微粒表面上;另一方面又要与溶剂有良好的亲合性,以便分子链充分伸展,形成厚的吸附层,达到保护微粒不聚结的目的。
2.高分子的浓度与分子量的影响 一般地说,分子量越大,高分子在微粒表面上形成的吸附层越厚,稳定效果越好。许多高分子还有一临界分子量,低于此分子量的高分子无保护作用。
高分子浓度的影响比较复杂,吸附的高分子要能盖住微粒表面才能起到保护作用,即需要在微粒表面上形成一个包围层,再多的高分子并不能增加它的保护作用,但若高分子的浓度过低,微粒表面不能被完全覆盖,则不但不能起到保护作用,反而使胶体对电解质的敏感性增加,由于高分子链起了“桥联”作用,把邻近微粒吸附在链节上,促使微粒聚集下沉,称这种作用为敏化作用(sensitization)。
3.溶剂的影响 在良溶剂中高分子链段能伸展,吸附层变厚,稳定作用增强。在不良溶剂中,高分子的稳定作用变差。实验中发现,若在介质中逐渐加入不良溶剂,在介质刚好转变为高分子的不良溶剂时,分散微粒开始聚沉。对于一种溶剂而言,改变温度相当于改变它对高分子的溶剂性能。用高分子稳定的分散体系,其稳定性常随温度而变。
(二)理论基础
与电解质聚沉理论不同,空间稳定理论至今尚未形成成熟的定量的理论,主要包括两个——体积限制效应理论和混合效应理论。
1.两种稳定理论
(1)体积限制效应理论:吸附在微粒表面上的高分子长链有多种可能构型。两微粒接近时,彼此的吸附层不能互相穿透,因此,对于每一吸附层都造成了空间限制(见图11
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图11-4 高分子吸附层效应
a-体积限制效应 b-混合效应
(压缩而不穿透) (穿透而不压缩)
(2)混合效应理论:微粒表面上的高分子吸附层可以互相穿透(见图11-4b)。吸附层之间的这种交联,可以看作是两个一定浓度的高分子溶液的混合,其中高分子链段之间及高分子与溶剂之间相互作用发生变化。从高分子溶液理论和统计热力学出发,可以分别计算混合过程的熵变与焓变,从而得出吸附层交联时自由能变化的符号和大小。若自由能变化为正,则微粒互相排斥,起保护作用;若自由能为负,则起絮凝作用,吸附层促使微粒聚结。
2.微粒稳定性的判断 不管排斥作用因何而起,我们总可以将微粒接近时因吸附层相互作用而产生的自由能的变化分成熵变与焓变两个部分,由热力学定律得到:
(11-15)
若使胶粒稳定,则>0,有如下三种情况:①,焓变起稳定作用,熵变则反之,加热会使体系不稳定,容易聚沉;②,熵起稳定作用,加热时会使体系趋于稳定;③,无论是焓变还是熵变均不会对体系不稳定产生影响,即微粒稳定性不受温度影响。
3.空间稳定效应的特点 由于空间稳定效应的存在,微粒间相互作用能应写成:
(11-16)
式中,—静电排斥能;—吸引能;—空间稳定效应产生的排斥能。总势能曲线的形状如图(11-2)所示。由于在微粒相距很近时趋于无穷大,故在第一极小处的聚沉不大可能发生,微粒的聚结多表现为较远距离上的絮凝。与双电层排斥作用相比,空间稳定作用受电解质浓度的影响很小,它在水体系及非水体系中均可起作用,能够使很浓的分散体系稳定,这些都是空间稳定作用的特点。
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