Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 19 )

Это объяснение эффекта Ребиндера, сделанное его первооткрывателем с соавторами, было дополнено (1963), который высказал идею, что дополнительным фактором в действии этого эффекта является расклинивающее давление жидкости на стенки микротрещин. Причиной создания такого давления, по (Дерягин и др., 1989), является ориентированное расположение диполей воды на гидрофильных поверхностях твердого тела перпендикулярно стенкам. Оно возникает, когда происходит перекрытие таких тонких прослоек воды с ориентированными диполями в микротрещинах.

По мнению (1976), предложенное и его последователями объяснение причин снижения механической прочности материалов является недостаточно убедительным. Он считает, что большое влияние может оказывать снижение трения при смазке контактирующих поверхностей следами поверхностно-активных веществ, что и способствует лучшему скольжению вдоль этих поверхностей и разрушению твердых тел. Поверхностно-активные вещества могут также приводить к перестройке структуры поверхностей и порождению напряжений, “охрупчивающих” материал.

Однако причины возникновения эффекта Ребиндера до настоящего времени остаются не ясными. Об этом свидетельствуют высказывания нескольких участников недавно прошедшей международной конференции, посвященной 100-летию (Glickman, 1998; Lushnikov et al., 1988; Westwood, 1998).

Мной предлагается принципиально новая идея о механизме возникновения эффекта  Ребиндера. Она следует из высказанных выше представлений о существовании в жидкости силы разуплотнения в первое мгновение контакта с твердой стенкой (Т-СРПС), когда происходит как бы вскипание граничного слоя жидкости за счет ускорения ориентированной самодиффузии молекул. Если это давление возникает у ровной стенки сосуда, то оно никак не проявляется, так как давление сразу же передается всему объему жидкости, и, поскольку слой имеет небольшие размеры, незначительное увеличение объема почти невозможно установить.

Однако если давление возникает в ультратонких порах, то оно сразу же передается на стенки пор и стремится их раздвинуть. Сущность этого можно представить себе так: в микропору попадает плотный раствор, который вскипает внутри, увеличиваясь в объеме, и этим создает давление. Или давление раздвигает стенки пор, или сама жидкость будет частично удаляться из микропоры, или (если ни то, ни другое) весь раствор в микропоре будет находиться под давлением как упругая масса, всегда готовая увеличиться в объеме.

Действие давления разуплотнения можно сравнить с деятельностью земляного червя, делающего подземные ходы в почве. Сначала он “острием” своей передней части тела делает углубление в земле или проникает в трещинки. Затем эта его передняя часть утолщается за счет внутреннего перемещения массы тела, и он с силой расширяет углубление. Затем опять проникает глубже “острием” передней части в расширившуюся норку и снова расширяет ее утолщением своего тела, продвигаясь таким образом все глубже и глубже.

Как отмечалось выше, давление разуплотнения по своей величине сопоставимо с давлением, создаваемым жидкостями при нагревании, и, следовательно, значительно превосходит величину двухмерного давления поверхностно-активных веществ или величину расклинивающего давления . поэтому его роль в эффекте адсорбционного понижения прочности твердых тел должна быть решающей. Поверхностно-активные вещества и появление связанного с ними двухмерного давления, по существу, способствуют только ускорению действия давления разуплотнения, так как ускоряют смачивание стенок и проникновение воды внутрь микропор.

Таким образом, температурная составляющая СРПС воды оказывает решающее значение в действии эффекта Ребиндера.

3.4.3. Содействие стирке тканей с использованием моющих поверхностно-активных веществ

Главнейшим свойством поверхностно-активных веществ, отраженным в их названии, является то, что они стремятся увеличить свою концентрацию в поверхностном слое жидкости, которая как бы выталкивает их из своего объема. По этим свойствам они отличаются от адсорбирующих веществ, которые, образно говоря, просто приклеиваются к сорбирующей поверхности, а не выталкиваются жидкостью. В отличие от них поверхностно-активные вещества деятельно участвуют в формировании поверхностного слоя тем, что увеличивают общую концентрацию веществ, создающих этот слой, и таким образом уменьшают степень его разуплотнения. В результате этого поверхностный слой уменьшает силу поверхностного натяжения, но при этом возрастает его прочность на разрыв в поперечном направлении, т. е. расклинивающее давление Дерягина. Следовательно, улучшается способность слоя к смачиванию твердых поверхностей и растеканию вдоль них и при этом увеличивается его прочность на сдавливание. При этом величина силы его разуплотнения не изменяется, но несколько уменьшается расстояние расширения слоя. Так же при температурном расширении сила расширения остается одинаковой при нагревании и на 1°, и на 100°, но изменяется длина расширяющегося предмета.

Это способствует тому, что слой с поверхностно-активными веществами при стирке тканей легче проникает вдоль контактов загрязняющих частиц и волокон тканей. В последующем начинает действовать собственно температурная составляющая силы разуплотнения поверхностного слоя – Т-СРПС. Жидкость, попадая вдоль контактов, расширяется и силой Т-СРПС отрывает загрязняющие частицы от ткани, затем проникает дальше и освобождает их полностью. После освобождения частицы уже не могут приклеиваться к волокнам тканей, так как этому препятствует повышенная величина расклинивающего давления Дерягина, т. е. повышенная прочность на разрыв поверхностной водной пленки, обволакивающей частицы. Механическое перемешивание тканей внутри стиральных машин способствует этим процессам, так как Т-СРПС действует именно в момент возникновения новых участков смачивания.

По существу, это подобно действию эффекта Ребиндера, снижающего механическую прочность твердых тел под влиянием поверхностно-активных веществ. Но только здесь в большей степени проявляется роль смачиваемости и расклинивающего давления и в меньшей – собственно Т-СРПС, поскольку для отрыва загрязняющих частичек не требуется большого усилия. При эффекте Ребиндера, когда ускоряется разрушение твердых материалов, решающее значение приобретает Т-СРПС, которая с силой температурного расширения раздвигает новообразующиеся трещины, ускоряя этим разрушение.

3.4.4. Создание коллоидных растворов и эмульсионно-ликвационных явлений

Как известно, особенностью коллоидных растворов является присутствие мельчайших коллоидных частичек, которые, достигнув определенного размера, не склеиваются, а находятся в жидкости во взвешенном состоянии, не выпадая в осадок. Причиной их образования считаются электростатическая заряженность, не позволяющая им сближаться (Щукин и др., 1982) и расклинивающее давление Дерягина (Дерягин, 1986).

Я считаю, что причиной образования коллоидов является температурная составляющая СРПС, которая придает особые свойства поверхностному слою, в том числе и способность сопротивляться сжатию с силой, равной расклинивающему давлению Дерягина. С этих позиций формирование коллоидных частиц можно представить следующим образом.

Когда в жидкости молекулы начинают соединяться, чтобы образовать частички твердого вещества, это соединение идет беспрепятственно до тех пор, пока размер частичек не достигнет той величины, когда на их поверхности способен образоваться поверхностный слой с его особыми свойствами. Вероятно, эта величина будет несколько превышать толщину самого слоя. После того как этот слой образовался и, следовательно, Т-СРПС создала в нем разуплотнение и придала ему свойства твердого тела, дальнейшее увеличение размера частиц прекращается. Поверхностный слой препятствует дальнейшему росту коллоидных частичек, так как он с силой расклинивающего давления и собственно Т-СРПС отталкивает их друг от друга. Поэтому данный размер частичек и остается в растворе господствующим, т. е. он лимитируется началом возникновения Т-СРПС в поверхностном слое.

Коллоидные частички обычно образуются из веществ с гидрофильными свойствами, т. е. относительно сильнее притягивающими к себе молекулы воды. Это связано с тем, что, как отмечалось выше, здесь, в поверхностном слое, Т-СРПС создает относительно меньшее разуплотнение молекул и, значит, слой находится в состоянии натяжения, далеком до предела этого натяжения, когда он может разорваться. Поэтому механическим силам, стремящимся сжать этот слой при сближении коллоидных частиц, необходимо приложить большие усилия, чтобы разорвать его в поперечном направлении и соединиться между собой в местах этого разрыва. Наоборот, в случае сближения гидрофобных частичек с сильно разуплотненным поверхностным слоем, последний очень близок к пределу своего разрыва. Поэтому достаточно слабого касания двух частичек, чтобы этот слой разорвался и частички слились, создав коагуляцию, или коллоидные растворы вообще бы не смогли образоваться, сразу сформировав осадок.

Но здесь оказывает влияние и непосредственно сама Т-СРПС, которая проявляется следующим образом. В тот момент, когда коллоидные частички, преодолев расклинивающее давление Дерягина, соединились между собой, они могут находиться в непрочном соединении или вновь рассоединиться. В период раскачивания в соединенном состоянии или рассоединения между ними появляются новые участки поверхностного слоя. Значит, здесь они опять разуплотняются, расширяются и с силой температурного расширения дают толчок разделяющимся поверхностям, отрывая их друг от друга и подталкивая вдогонку, ускоряя тем самым их движение. Таким образом, Т-СРПС создает дополнительное препятствие для соединения коллоидных частичек и старается их держать на некотором расстоянии друг от друга, еще более усиливая свойство поверхностного слоя как твердого тела.

Подобным же образом происходит образование эмульсий, т. е. растворов с мельчайшими взвешенными капельками одной жидкости в другой, например, капельками масла в молоке, придающими ему соответствующую жирность и белый цвет. Образование эмульсионных капелек жидкости и их размер определяются началом действия Т-СРПС в поверхностном слое, т. е., по существу, возникновением самого этого слоя при достижении ими определенного размера, поскольку, например, одна или две молекулы не могут образовать вокруг себя такой слой.