第六章-分散体系与高分子溶液

第六章分散体系与高分子溶液本章目录6.1分散体系分类6.2分散体系的流变性质6.3溶胶6.4凝胶6.5乳状液6.6泡沫6.7高分子溶液6.8表面活性剂与高分子在溶液中的相互作用分散体系:一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的体系。例如：云，牛奶，珍珠一、分散相与分散介质分散相（dispersedphase）：被分散的物质分散介质（dispersingmedium)：分散分散相的物质；分散体系中处在连续状态的物质。一、分散体系的分类二、分散体系分类1.按分散相粒子大小分子或离子分散体系(r10-9m)：混合气体和溶液胶体分散体系(10-9r10-7m)：如Fe(OH)3、Al(OH)3溶胶等胶体分散体系(r10-7m)：如乳状液、悬浊液等。2.按分散相和分散介质聚集状态分类：分散相分散介质名称实例气/液/固液液溶胶(sol)泡沫（如灭火泡沫、充气钻井液）乳状液（牛奶、石油、O/W,W/O乳化钻井液）悬浮体、溶胶（如油漆、水基钻井液）气/液/固固固溶胶(solidsol)浮石、泡沫塑料沸石、珍珠、某些宝石某些合金、有色玻璃气/液/固气气溶胶(aerosol)混合气体、雾、烟、尘一、分散体系的分类2.按分散相和分散介质聚集状态分类：一、分散体系的分类3.按分散相体系的稳定性分类：憎液溶胶：由难溶物质分散在分散介质中所形成的分散体系，颗粒半径在1nm~100nm之间，分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，属于热力学不稳定体系，如粘土在水中形成的溶胶、氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。亲液溶胶：分散相与分散介质之间有很好的亲和力和很强的溶剂化作用，如高分子化合物溶液，虽然是分子分散的真溶液，但其分子大小已经达到胶体颗粒范围，因此具有胶体的一些特性（例如扩散慢、不透过半透膜、有丁达尔效应等）。亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。一、分散体系的分类流变性质（rheologicproperties）：物质在外力作用下的变形（deformation）和流动(flow)的性质。xv将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层，各层速度不同，形成速度梯度(dv/dx)，这是流动的基本特征。一、分散体系的分类由于速度梯度的存在，流动较慢的液层阻滞较快液层的流动，因此，液体产生运动阻力。为使液层维持一定的速度梯度运动，必须对液层施加一个与阻力相反的反向力。在单位液层面积上施加的这种力，称为切应力(shearforce)，简称切力。用τ表示，单位为N/m2。切变速度：即速度梯度，简称切速，用D表示，单位s-1。切应力与切变速率是表征体系流变性质的两个基本参数。dxdvD一、分散体系的分类流动时液体内部形成速度梯度，故产生运动阻力，切应力反映此阻力大小。Ddxdv牛顿公式η——液体粘度黏度定义：将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离为1m，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pa·s。一、分散体系的分类牛顿流体（Newtonianfluid）：符合牛顿公式的流体。非牛顿液体（non-Newtonianfluid）：不符合牛顿公式的流体。非牛顿流体的切应力与切速间无正比关系，比值τ/D不再是常数，而是切速的函数。表观粘度（apparentviscosity）：以ηa表示一定(τ/D)下的粘度，称表观粘度。一、分散体系的分类以切变速度D对切应力τ作图，可以得到流变曲线，它表示了体系的流变特性。按流变曲线的类型可将流体分为不同的流型。四种基本流型a牛顿流型；b塑性流型c假塑性流型；d胀性流型一、分散体系的分类1.牛顿体•D-τ关系为直线，且通过原点。即在任意小的外力作用下，液体就能发生流动。•从D-τ直线关系可见，直线的斜率越小，液体的黏度越大。•大多数纯液体（如水、甘油、低黏度油以及许多低分子化合物溶液和稀的溶胶）都是牛顿液体。•牛顿型液体常称为真液体。D一、分散体系的分类2.塑性体（plasticfluid）也叫Bingham体。其流变曲线也是直线，但不经过原点，而是与切力轴交在τy处，亦即只有当ττy时，体系才流动，τy称为屈服值（yieldvalue）。•外加切应力较小，不流动，只发生弹性变形；而一旦切应力超过某一限度时，体系的变形就是永久的，表现出可塑性，故称其为塑性体。•使塑性体开始流动所需加的临界切应力，即为屈服值。DLfBfMf一、分散体系的分类塑性体流变曲线的直线部分可表示为：τ-τy=η塑D（ττy）式中，η塑称为塑性黏度（或结构黏度），它和屈服值τy是塑性体的两个重要流变参数。解释静止时，不规则粒子形成网状结构，须破坏其网状结构方可流动。达到层流切力后结构被彻底破坏。一、分散体系的分类钻井泥浆：黏土质点成片状，基面带负电，侧面带少量正电。黏土粒子在水中易形成结构。开钻时高速循环泥浆，结构被拆散，流动阻力小。停钻后结构重新形成，屈服值保证了岩屑的悬浮，也可防止泥浆渗入地层。实例一、分散体系的分类3.假塑体（pseudoplasticfluid）Do特点无屈服值，其流变曲线通过原点，表观黏度η0随切力增加而下降，亦即搅得越快，显得越稀。其流变曲线为一凹向切力轴的曲线。nKD10n大部分高分子溶液和乳状液属此流型。K是粘稠度的量度，K越大，液体越粘稠；n1，是非牛顿性的量度，n越小，非牛顿性越显著。表观粘度：)1(annkDDkDD一、分散体系的分类形成原因应用实例油井压裂液：地层中——高粘度——强携砂能力、大压裂应力管道中——低粘度——高速流动，减小能量消耗这类体系倘若有结构也必然很弱，故τy几乎为零，在流动中结构不易恢复，故表观粘度η0总是随切速增加而减少；这类体系也可能无结构，ηa的减小是不对称质点在速度梯度场中定向的结果。二、分散体系的流型4.胀流体(dilatantfluid)特点流变曲线也通过原点，但与假塑体相反，其流变曲线为一凸向切速轴的曲线。胀流体的表观黏度ηa随切速增加而变大，也就是说，这类体系搅得越快，显得越稠。nKD（n1）表观粘度：)1(annkDDkDDDo二、分散体系的流型（1）颗粒必须是分散的而不是聚结的；（2）分散相浓度相当大，且在一狭小范围内。浓度低时为牛顿体，高时为塑性体。条件解释•切力不大时，颗粒散开，黏度小；•切力大时，颗粒被搅在一起，增加流动阻力。应用实例钻井时如果遇到胀流性很强的地层会发生严重的卡钻事故。二、分散体系的流型1.计算法对于稀分散体系，Einstein假定：•质点是远大于溶剂分子的圆球；•质点是缸体，且与介质无相互作用；•溶胶很稀，液体经过质点时，各层流所受到的干扰不相互影响；•无湍流。从而导出）（Φ5.210式中，η为溶胶的黏度；η0为介质的黏度；Φ为分散相所占的体积分数。三、流变参数的测量2.流变仪法（1）旋转流变仪适用于非牛顿流体的黏度测定，实际工作中用于测定流体流型。工作机理转筒式黏度计有两个同心筒组成，两筒间保持一定的间隙（例如1～3mm左右），此间隙为待测样品所充满。两筒中一筒转动，另一筒固定，这样在样品液体内部存在速度梯度，并产生流动阻力。作用在单位面积上的阻力极为切应力的大小。如外筒不动，靠加重量（砝码）使内筒转动，就可有由砝码质量、力臂长度、筒侧面积求出切应力值。三、流变参数的测量2.流变仪法（2）毛细管流变仪用于测定液体、溶液和胶体溶液的黏度，主要使用于牛顿流体。毛细管粘度计的基本公式是Poiseuille公式tlvpr8π4式中，r、l分别为毛细管的半径和长度；v为在t时间内液体所流过的毛细管体积；p为毛细管两端的压力差。粘度测定公式三、流变参数的测量一般用已知黏度的液体测出粘度计的毛细管常数，再令待测液体在相同的条件下流过同一只毛细管。因为同一毛细管的r、l、v一定，故液体在毛细管中流动仅受压力差p的影响，在此处压力差即为重力，即p=hρg，故可根据下式求出待测液体的黏度：000ttη0、ρ0、t0分别为标准液体（如纯水、纯苯等黏度已知）的黏度、密度、和使一定体积标准液体流过毛细管所经过的时间；η、ρ、t为待测液体的黏度、密度、和使同一体积待测液体流过毛细管所经过的时间。三、流变参数的测量若溶液很稀，则ρ≈ρ0，这时00tt只要测出已知黏度的标准液体和待测液体的流经时间，根据上式就可以测出待测液体的黏度。常作标准液体（20℃）水：1.009×10-3Pa·s苯：6.47×10-4Pa·s三、流变参数的测量第三节溶胶1861年，英国科学家ThomasGraham首次提出“胶体”——Colloid的概念。Graham将物质分成两类：1.晶体(crystal)：蔗糖、食盐、硫酸及其无机盐类。在水中易扩散；能通过半透膜；蒸去水分后结晶析出。2.胶体(colloid)：Al(OH)3,Fe(OH)3,蛋白质，大分子化合物等。在水中不易扩散；不能通过半透膜；蒸去水分后成胶状。Graham首次认识到胶体的特性，这一点很重要；但将物质分成晶体和胶体是不正确的。俄国科学家维伊曼，对200多种化合物进行实验后发现：任何物质既可制成晶体又可制成胶体。例如：NaCl在水中是真溶液，而若分散在苯或醚中，则形成胶体溶液；硫磺分散在乙醇中为真溶液，而分散在水中则为水溶胶。固体酒精第三节溶胶胶体只是物质以一定分散程度而存在的一种状态，而不是一种特殊类型的物质的固有状态。第三节溶胶胶体：指某物质在另一种物质中以一定的分散程度(10-9r10-6m？)而存在的一种状态。胶体的界限多少是有些人为的胶体是物质的一种存在状态，而不是一种特殊类型的物质固有状态。虽然胶体最初相对晶体而言而提出的，但把物质分为晶体和胶体是不正确的，因为任何典型的晶体物质都可以用降低其溶解度或选用适当的分散介质而制成溶胶（例如把NaCl分散在苯中就可以制成溶胶）。因此，研究胶体主要研究分散相的存在状态，而不是分散相物质本身。第三节溶胶胶体化学发展简史胶体化学是一门古老而年轻的学科；1861年英国科学家ThomasGraham创始；早期研究的油墨、土粒的电泳、花粉的布朗运动。随着实验技术的不断发展，胶体化学跃进了一大步。我国1954年，北大傅鹰院士建立胶体化学教研室南京大学戴安邦院士筹建胶体化学专业。1983年首届胶体与界面化学学术会议，2015年第15届，首次承办国际胶体科学会议（第12届），2006年（北京）。胶体化学发展简史胶体化学的应用1.油田开发：钻井液（稳定、絮凝、解卡、消泡……）；稠油乳化降粘开采；原油脱水与破乳；污水处理；微乳液与三次采油……2.农业：土壤中的离子交换；农药乳化与分散……3.生物学和医学：生物流变学；血液学；渗透与膜；病毒、蛋白质；制药与药理学……4.日用品：洗涤剂、化妆品、乳制品、胶囊制品……5.轻工业：表面处理、陶瓷、涂料……6.环境科学：水净化、人工降雨……7.分析化学：离子交换，胶束增溶……8.材料：水泥、合金、液晶……9.海洋科学：海水淡化膜……胶体分类：按分散相和分散介质之间的亲和力。（稳定性）（1）憎液胶体（lyophobicsol）：简称溶胶由难溶物质分散在分散介质中所形成的分散体系，分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，属于热力学不稳定体系，如粘土在水中形成的溶胶。（2）亲液胶体（lyophilicsol）：分散相与分散介质之间有很好的亲和力和很强的溶剂化作用，如高分子化合物溶液，虽然是分子分散的真溶液，但其分子大小已经达到胶体范围，因此具有胶体的一些特性（例如扩散慢、不透过半透膜、有丁铎尔效应等）。只有典型的憎液溶胶才能全面地表现出胶体的特性，因此，本节以溶胶作重点来讨论胶体的共同性质。第三节溶胶3.1溶胶的制备方法制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散体系的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类：分散法凝聚法超声波分散法研磨电弧法胶溶法化学凝聚法物理凝聚法（1）研磨法用机械粉碎的方法将固体磨细。1、溶胶的制备—分散法这种方法适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性的物