Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 17 )

Сближение двух поверхностей с образованием между ними сначала тонкой жидкой прослойки, а затем и полное соединение этих поверхностей – типичный широко распространенный процесс в коллоидных растворах, золях, суспензиях, во взаимодействии органических молекул в биологической клетке растений и живых организмов, при разрушении твердых веществ внутри жидкой среды и т. д. во всех случаях мелкие частички в процессе перемещения сближаются друг с другом и могут при этом слипаться или отталкиваться, что значительно сказывается на существовании и преобразованиях этих веществ.

и др. (1985, 1986, 1989) считают, что главным фактором, влияющим на слипание или отталкивание частичек, является расклинивающее давление граничного слоя жидкости. Этот слой в зависимости от физико-химических условий, в которых находится жидкость, может способствовать или притяжению, или отталкиванию частичек. выделены адсорбционная, дисперсионная, электронная, электростатическая и структурная составляющие расклинивающего давления, которые в различной степени способствуют этим процессам. Главной причиной расклинивающего давления считает возникновение в граничном слое особой структуры воды в виде субпараллельной ориентировки ее дипольных молекул параллельно или перпендикулярно границе.

Мной на основе вышеизложенного механизма формирования поверхностного слоя предлагается иное объяснение действия расклинивающего давления. Рассмотрим это на примере сближения частичек с гидрофильными и гидрофобными поверхностями.

Для гидрофобной поверхности характерно более слабое притяжение к ней молекул воды. Значит, как показано выше, это усиливает ее поверхностное натяжение, потому что уменьшается потенциальная способность или скорость подхода в поверхностный слой глубинных молекул воды при увеличении площади поверхности.

При сближении двух поверхностей, например, двух коллоидных частичек, на разделяющую их пленку жидкости, кроме отмеченных сил натяжения, действующих со стороны обеих поверхностей, также влияет гидравлическая сила выдавливания жидкости из зазора между частицами. Эта сила действует в противоположные стороны, стремясь разорвать пленку. Причем она тем сильнее, чем быстрее сближаются частицы. В зависимости от скорости движения частиц и их массы гидравлическая сила может быть достаточно большой, чтобы преодолеть предельную силу поверхностного натяжения и разорвать пленку. разрыв пленки приведет к непосредственному соединению частичек, т. е. к их возможному слипанию, если силы притяжения между ними удержат их вместе. Значит, чем большими гидрофобными свойствами обладает поверхность частичек, тем меньше скорость подхода глубинных молекул в поверхностный слой, значит, тем больше вероятность того, что гидравлические силы скорее разорвут пленку и частички соединятся вместе, чем поверхностные силы удержат пленку в целом состоянии.

В целом здесь внешние силы воздействуют по-иному, чем при растяжении пленки гравитационными силами при увеличении поверхности. Если в последнем случае глубинные молекулы из нижнего контакта слоя могут подходить в этот слой и наращивать его, то при соударении двух коллоидных частичек такой возможности к наращиванию нет, так как в месте соударения глубинные молекулы практически отсутствуют и поэтому не могут увеличивать поверхность пленки. Поэтому она реагирует на соударение принципиально по-иному, т. е. чисто механически на разрыв сплошности. Здесь имеет значение такое механическое свойство любой пленки, как величина твердости, проявляющаяся в ее хрупкости на излом или разрыв.

Снижение прочности пленки обусловлено тем, что вследствие большего притяжения молекул к нижней границе поверхностного слоя он становится более уплотненным и поэтому более тонким с большим поверхностным натяжением. Значит, он приобретает свойства более тонкой, но более твердой пленки вследствие большего натяжения. Такую пленку легче разбить или разорвать ударом, так же как молоток, ударяющий по наковальне, с меньшим усилием разобьет хрупкое стекло, чем перебьет упругую резиновую ленту.

В случае сближения частиц с гидрофильными поверхностями наблюдаются обратные взаимоотношения. Молекулы воды, сильнее притягиваясь такими поверхностями, уменьшают разуплотнение поверхностного слоя и снижают благодаря этому силу поверхностного натяжения. Поэтому поверхностная пленка, разделяющая частицы при их сближении, будет слабее натянута и толще. Значит, при соударении двух частиц она будет вести себя не как жесткое твердое тело, а как упругая, более утолщенная резиновая лента, которая за счет этого смягчает соударения частиц и этим гасит силу их удара, не позволяя разорваться пленке и соединиться частицам.

Гидравлические силы, растягивающие пленку при сближении поверхностей, не зависят от гидрофильности или гидрофобности поверхностей. Но в первом случае надо приложить большие силы для разрыва пленки. Поэтому здесь меньше вероятность разрыва пленки при одинаковости гидравлических сил и, значит, меньше вероятность слипания частиц. Это находится в соответствии с представлениями о положительном действии расклинивающего давления между гидрофильными поверхностями, но в данном случае проявляется не расклинивающее давление как таковое, а прочность поверхностной пленки на разрыв.

Эту пленку можно образно сравнить с сильно натянутым тросом. Если сила натяжения троса близка к пределу его прочности, то достаточно слабого удара по нему палкой, чтобы трос разорвался. Но если трос натянут слабо, то для его разрыва надо приложить к нему в поперечном направлении огромные усилия, например, сильно пережать тисками или перерезать ножницами.

Можно полагать, что собственно расклинивающее давление проявляется при механических деформациях пород в микропорах, препятствуя их закрытию. По существу, это постоянная во времени величина, т. е. статический фактор расклинивающего давления. Свойства расклинивающего давления в виде прочности граничного слоя жидкости на разрыв проявляются в тонкодисперсных средах – коллоидных растворах, золах, суспензиях, где мелкие частички находятся в движении и соударяются. Здесь в зависимости от скорости движения частиц при их сближении может меняться и гидравлическая сила, растягивающая пленку в зазоре между ними. Чем быстрее они двигаются, тем с большей скоростью сближаются, тем больше сила гидравлического растяжения пленки, тем ближе она к пределу прочности последней и тем легче пленка разрывается, позволяя частичкам непосредственно контактировать своими поверхностями. Подтверждением этого является известный пример коагуляции коллоидных растворов при повышении температуры, когда ускоряется движение коллоидных частичек и, соответственно, увеличивается скорость их сближения, позволяя поверхностной пленке разрываться легче.

Следовательно, можно прийти к заключению, что кроме роли расклинивающего давления как статического фактора, постоянно стремящегося отталкивать очень медленно сближающиеся поверхности, существует еще один фактор этого давления, который проявляется в процессе быстрого сближения поверхностей в виде предела прочности на разрыв разделяющей их жидкой пленки. Этому фактору можно дать название динамического фактора. В соответствии с этим динамический фактор расклинивающего давления представляет собой свойство этого давления противостоять разрыву пленки жидкости при быстром сближении поверхностей под влиянием возникающих при этом гидравлических сил растяжения. В то время как статический фактор – это свойство расклинивающего давления противостоять медленному сближению двух поверхностей, когда гидравлические силы, стремящиеся разорвать пленку, являются незначительными. Статический фактор объединяет все выделенные составляющие расклинивающего давления – структурную, дисперсионную, адсорбционную, электростатическую и электронную.

В соответствии с высказанными выше автором молекулярно-кинетическими представлениями о расклинивающем давлении оно является положительным, т. е. действует путем отталкивания поверхностей друг от друга при их сближении на расстояние, меньшее двух длин флюктуационных скачков молекул жидкости. Поскольку расклинивающее давление тесно связано с возникновением поверхностного натяжения, то оно в такой же мере постоянная величина.

3.4.1.3. Повышенная вязкость поверхностного слоя

Экспериментальное определение вязкости жидкостей проводилось и др. (1985). Для нелетучих жидкостей эксперименты проводились методом сдувания поверхностных пленок. С этой целью слой жидкости толщиной 10 мкм наносился на одну из стенок плоско-параллельной щели высотой 0,2 мм. Направляя через эту щель равномерный поток газа, вызывали послойное течение пленки жидкости, принимавшей во время сдувания форму все более пологого клина. В случае постоянства вязкости, т. е. отсутствия специфичной граничной вязкости, слой жидкости после сдувания приобретает форму клина, ограниченного сверху наклонной плоскостью. При наличии слоя с повышенной вязкостью, эта наклонная плоскость будет иметь изгиб, как бы ступеньку в месте контакта с объемной жидкостью. Опыты показали, что подавляющее большинство исследованных жидкостей имеют такой изгиб, свидетельствующий о повышенной вязкости поверхностного слоя.

Для воды как относительно летучей жидкости метод сдувания был непригоден. Поэтому опыты проводились путем изучения скорости ее фильтрации вдоль пор и капилляров и сравнения с условиями фильтрации других жидкостей. Показано, что средняя вязкость поверхностного слоя воды превышает в 1,5-2 раза вязкость глубинных слоев. Повышенная вязкость установлена также для тонких незамерзающих прослоек воды между льдом и твердой поверхностью. Она определялась методом сдвига столбиков льда в цилиндрических капиллярах и сравнения с вязкостью переохлажденной воды при той же температуре.

3.4.1.4. Создание трения в жидкости на границе с твердым веществом

Существование трения между поверхностным слоем и твердыми стенками хорошо известно. Оно проявляется в виде как бы прилипания поверхностных молекул к стенке, в результате чего происходит торможение течения прилегающего к стенке тонкого слоя жидкости (Шлихтинг, 1974). В этом тонком слое скорость течения ламинарного потока возрастает от нуля на стенке (прилипание) до своего полного значения во внешнем потоке, в котором жидкость можно рассматривать как текущую без трения. Поэтому здесь ламинарный поток сменяется завихрениями жидкости, становясь турбулентным. Этот слой, следуя Прадтлю, называют пограничным. Его толщина достигает нескольких миллиметров.