Некоторые порошки, используемые в технике и пищевой

Промышленности

Порошок	d, м	Порошок	d, м
Сажа печная	(1 ¸ 3)×10^-^7	Мел молотый	(5 ¸ 50)×10^-^6
Белила (TiO2)	(2 ¸ 7)×10^-^7	Крахмал	(1 ¸ 1.5)×10^-^4
Охра (Fe2O3)	(3 ¸ 15)×10^-^7	Мука	(0.5 ¸ 2)×10^-^4
Глина	(2 ¸ 20)×10^-^6	Крупа	>×10^-^4

 

Порошки нашли широкое применение в производстве пищевых продуктов (крахмал, мука, крупы, растворимый кофе и др.). Размалывание каменного угля до мельчайших частиц (10^-9 ¸ 10^-7) м порошка необходимо при сжигании каменного угля в форсунках электростанций, работающих на твердом топливе.

Различные поверхности окрашиваются методом напыления. Чем выше степень дисперсности красителя, тем эффектнее выражена яркость окраски, кроющая способность и прочность красителя на окрашенной поверхности. В этом направлении ведутся работы по использованию дисперсных систем, в которых частицы красителя имеют размеры в несколько нанометров (нанотехнологии). Прочность покрытия корпуса автомобиля нанокрасками в высоковольтном поле (200 000 вольт) превосходит все известные способы покрытия.

 

Суспензии

Суспензии – средне- и грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж) и размером частиц от 10^-7 до 10^-4 м.

Природные воды (океаны, моря, озера, болота, реки), разнообразные искусственные водоемы содержат твердые частицы в виде осадков (ил), и с позиций коллоидной химии являются суспензиями. К суспензиям относятся влажные почвы и грунты. Многие продукты, которые мы употребляем в пищу, являются суспензиями. Например, томатная паста, готовая к употреблению горчица, паштеты, мясные фарши, шоколад (частицы какао в какао-масле).

В химической промышленности получение многих полимеров осуществляется суспензионной полимеризацией: капли мономера в воде, стабилизированные водорастворимыми ПАВ (желатин, крахмал), при полимеризации превращаются в твердые частицы, размер которых колеблется от 10^-6 до 10^-3 м. Таким методом получают полистирол, поливинилацетат и др.

К суспензиям относятся готовые к использованию цементные и известковые «растворы», применяемые в строительстве зданий и сооружений, масляные краски.

Высококонцентрированные структурированные суспензии называют пастами. В пастах пространственная сетка из частиц дисперсной фазы заполнена дисперсионной средой. Они обладают вязкостью, упругостью и пластичностью. Например, зубная паста представляет собой карбонат кальция (СаСО₃), растертый в порошок и в местах контакта частиц покрытый тончайшей пленкой водного раствора, содержащего различные добавки.

Частицы суспензии не участвуют в тепловом движении. Они обладают седиментационной неустойчивостью, но проявляют большую агрегативную устойчивость по сравнению с лиофобными коллоидными растворами. Агрегативная устойчивость суспензий зависит от среды, в которой она формируется. Хорошо смачивающая поверхность дисперсных частиц жидкая фаза повышает агрегативную устойчивость. Полярные частицы хорошо смачиваются полярными, а неполярные – неполярными жидкостями. На поверхности частиц образуется тончайшая пленка жидкой фазы, которая препятствует агрегированию частиц дисперсной фазы. Например, в бензоле (неполярной среде) мелкие частицы углерода (неполярные частицы) хорошо смачиваются бензолом и не слипаются. В воде (полярной среде) частицы углерода не защищены пленкой жидкости и происходит их агрегирование.

Для повышения агрегативной устойчивости суспензий используют стабилизаторы. Стабилизаторы – вещества, добавление которых в дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т.е. препятствует слипанию частиц. В качестве стабилизаторов широко используются коллоидные растворы ПАВ и растворы ВМС (рис. 41). При стабилизации частиц углерода в воде мыло, имеющее дифильное строение, окружает частицы таким образом, что их гидрофильная часть обращена в сторону воды, а гидрофобная располагается вокруг частицы углерода (рис. 41, а).

Рис. 41. Стабилизация суспензии поверхностно-активным веществом (мылом): а) углерода в воде; б) кварцевого песка (SiO₂) в бензоле

 

И, наоборот, при стабилизации полярных частиц в неполярном растворителе, полярные группы ПАВ располагаются вокруг полярных частиц SiO₂, а их неполярные концы обращены в сторону неполярного бензола (рис 41, б). Мыло – поверхностно-активное вещество солюбилизирует (растворяет в мицеллах) частицы углерода в воде и полярные частицы SiO₂ в неполярном бензоле, стабилизируя эти дисперсные системы.

В случае высокомолекулярных соединений эффективными стабилизаторами являются некоторые белковые вещества и полисахариды (желатин, крахмал, метоксипропилцеллюлоза), которые также являются поверхностно-активными веществами.

 

Эмульсии

Эмульсии – средне- и грубодисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Ж/Ж), когда одна из жидкостей распределена в другой в виде капель. Такие дисперсные системы образуются из двух взаимно нерастворимых жидкостей. Чаще всего используются эмульсии, в которых одной из жидкостей является вода, а другой нерастворимое в воде органическое вещество. Их обозначают масло в воде (М/В) и вода в масле (В/М), подразумевая под «водой» полярное вещество (включая, разумеется, воду), а под «маслом» - неполярное нерастворимое в воде органическое вещество.

Чтобы придать эмульсии относительную устойчивость используют стабилизаторы, называемые в этом случае эмульгаторами. Поэтому эмульсия – это, как минимум, трехкомпонентная система, состоящая из полярной и неполярной жидкости, одна из которых находится в виде капель, и эмульгатора.

Стабилизация эмульсий осуществляется в результате адсорбции молекул эмульгатора (например, ПАВ) на границе раздела фаз, т. е. на поверхности капель, распределенных в дисперсионной среде (рис. 42).

Рис. 42. Адсорбция молекул эмульгатора (анионогенного ПАВ) на границе раздела фаз в системах: а) масло в воде; б) вода в масле

Ионогенные ПАВ образуют на поверхности капель двойной электрический слой и капли дисперсной фазы не слипаются (сливаются) в силу того, что одинаково заряжены.

Различают прямые эмульсии, в которых дисперсионной средой является полярная среда (В) и обратные эмульсии – эмульсии с неполярной дисперсионной средой (М) (рис. 42, б).

К прямым эмульсиям относятся такие дисперсные системы, как молоко (капли жира в воде, стабилизированные смесями белков), косметические кремы, кровь. В крови дисперсионной средой является водный раствор солей и аминокислот, а дисперсной фазой – эритроциты. Стабилизация дисперсной системы (крови) осуществляется молекулами аминокислот и белков, выполняющими функцию ПАВ.

К обратным эмульсиям относятся, например, сливочное масло и маргарин. В масле и маргарине концентрация дисперсионной среды может достигать 99% по сравнению с 1% воды.

В пищевой промышленности в виде эмульсий выпускаются молоко, сливки, сметана, сливочное масло, маргарин. В промышленных технологических процессах эмульсии используются в качестве проклеивающего вещества при производстве бумаги, для приготовления эмульсионных красок, при бурении нефтяных и газовых скважин.

Эмульсионной полимеризацией – полимеризацией в каплях дисперсной фазы получают каучуки, поливинилхлорид и ряд других полимеров.

 

Пены

Пены – грубодисперсные высококонцентрированные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Г/Ж). Они термодинамически неустойчивы, если принять во внимание размер пузырьков газовой фазы. Пузырьки газа могут достигать нескольких сантиметров, а объем газа составлять ¾ объема пены. В некоторых случаях объем пузырьков пены, отнесенный к объему дисперсионной среды, может быть десятикратным (кратность пен). Для высокократных пен характерна ячеистая структура (рис. 43) с пятиугольными гранями, похожая на пчелиные соты. Ячейки с газом разделены тонкими слоями жидкости, содержащими специальные добавки – пенообразователи. Без пенообразователей чистая жидкость пены не образует.

 

Рис. 43. Схематическое изображение фрагмента структуры пены (Г/Ж) с высокой кратностью

 

В качестве пенообразователей используются коллоидные растворы анионогенных ПАВ и высокомолекулярные природные соединения (некоторые виды белков).

Существенное стабилизирующее действие на пены и пенообразование оказывают загустители, повышающие вязкость пенообразующего раствора. Среди загустителей широкое применение нашли многоатомные спирты, такие, как глицерин, этиленгликоль. К загустителям относятся такие высокомолекулярные соединения, как крахмал, агар-агар, желатин, образующие при растворении в горячей воде истинные растворы. При охлаждении эти растворы превращаются в плотные студни.

Крахмал, желатин или агар-агар, добавленные в небольших количествах, увеличивают вязкость жидкости и устойчивость пен в несколько раз.

Структурно-механические (реологические) свойства пен такие, как течение и деформация являются их важными характеристиками при использовании в пожаротушении, а также при получении вспененных полимерных материалов (пенопластов).

 

Отступление. Студни – это концентрированные растворы высокомолекулярных соединений с плотным структурированным каркасом, упругие свойства которого вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами. Студни образуют растворы таких природных полимеров, как крахмал и агар-агар. Крахмал выделяют из клубней картофеля и злаков, агар-агар – из красных водорослей. Для приготовления студня крахмал или агар-агар растворяют в горячей воде. Образовавшийся истинный раствор при охлаждении до комнатной температуры превращается в плотный студень.

Аналогичные свойства проявляет желатин – высокомолекулярный продукт расщепления белка соединительной ткани животных (коллаген). В горячей воде желатин растворяется, а при охлаждении также образует студень. Еще раз подчеркнем, что упругие свойства студней вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами. Таким характером межмолекулярного взаимодействия студни отличаются от гелей – структурированных систем, образующихся из золей (высокодисперсных систем) за счет ван-дер-ваальсовых сил. Но есть и общее, что объединяет студни и гели. И те, и другие проявляют такие механические свойства, как упругость, прочность, эластичность.

Большинство студней не восстанавливают свою прежнюю структуру, разрушенную механическим воздействием, т.к. разрушаются водородные связи. Гели восстанавливают свою структуру (тиксотропия), несмотря на механическое воздействие (перемешивание).

Обычно агар-агар, желатин и крахмал широко используются в кондитерской промышленности. Кроме того, агар-агар применяется как питательная среда для выращивания клеток и микроорганизмов.