Представлява адсорбционно намаляване на якостта - промяна в механичните свойства на твърдите тела поради физикохимични процеси, причиняващи намаляване на повърхностната (интерфазна) енергия на тялото. В случай на кристално твърдо вещество, в допълнение към намаляването на повърхностната енергия, за да се прояви ефектът на Ребиндер, също е важно кристалът да има дефекти в структурата, необходими за възникване на пукнатини, които след това се разпространяват под въздействието на околната среда. В поликристалните твърди вещества такива дефекти са границите на зърната: 350. Проявява се в намаляване на здравината и появата на крехкост, намаляване на издръжливостта и по-лесно разпръскване. За да възникне ефектът на Rebinder, са необходими следните условия:
- Контакт на твърдо тяло с течна среда
- Наличие на напрежения на опън
Основните характеристики, които отличават ефекта на Ребиндер от други явления, като корозия и разтваряне, са следните:337:
- бърза поява - веднага след контакт на тялото с околната среда
- достатъчността на малък обем вещество, действащо върху твърдо тяло, но само със съпътстващ механичен ефект
- връщане на тялото към първоначалните му характеристики след отстраняване на средата
Примери за ефекта на Rebinder
Напишете отзив за статията "Ефект на Rebinder"
Бележки
Литература
- Гецов Г.Г.Капка длето камък // Химия и живот. - 1972. - № 3. - стр. 14-16.
- С. В. Грачев, В. Р. Бараз, А. А. Богатов, В. П. Швейкин. "Физически материалознание"
Връзки
- в YouTube
Откъс, описващ Rebinder Effect
– „До нашата майка-престолна столица Москва.Врагът навлезе в Русия с големи сили. Той идва да погуби нашето мило отечество — прилежно четеше Соня с тънкия си глас. Графът, затворил очи, слушаше, въздишайки импулсивно на места.
Наташа седеше изпъната, изпитателно и право гледайки първо баща си, после Пиер.
Пиер усети погледа й върху себе си и се опита да не поглежда назад. Графинята клатеше глава неодобрително и гневно срещу всеки тържествен израз на манифеста. Тя видя във всички тези думи само това, че опасностите, които заплашваха нейния син, няма да свършат скоро. Шиншин, със свита в подигравателна усмивка уста, очевидно се готвеше да се подиграе на първото нещо, което беше представено за присмех: четенето на Соня, какво щеше да каже графът, дори самата жалба, ако не се появи по-добро извинение.
След като прочете за опасностите, заплашващи Русия, за надеждите, възложени от суверена на Москва и особено на известното дворянство, Соня, с треперещ глас, идващ главно от вниманието, с което я слушаха, прочете последните думи: „ Ние няма да се поколебаем да застанем сред нашия народ.” в тази столица и на други места на нашата държава за консултация и ръководство на всички наши милиции, както сега блокиращи пътищата на врага, така и отново организирани, за да го победят, където и да се появи. Нека гибелта, в която си въобразява да ни хвърли, се стовари върху главата му и освободената от робство Европа да въздигне името на Русия!”
- Това е! - извика графът, отвори влажните си очи и няколко пъти спря да подсмърча, сякаш до носа му поднасяха бутилка силна оцетна сол. „Просто ми кажете, сър, че ще пожертваме всичко и няма да съжаляваме за нищо.“
Шиншин още не беше имал време да разкаже шегата, която беше подготвил за патриотизма на графа, когато Наташа скочи от мястото си и се затича към баща си.
- Какъв чар този татко! - каза тя, целувайки го, и отново погледна Пиер с онова несъзнателно кокетство, което се върна при нея заедно с нейното оживление.
- Толкова патриотично! - каза Шиншин.
- Изобщо не съм патриот, а просто ... - обидено отговори Наташа. - Всичко ти е смешно, но това изобщо не е шега...
- Какви шеги! - повтори броенето. - Кажете само думата, всички ще отидем ... Ние не сме някакви немци ...
„Забелязахте ли“, каза Пиер, „че пише: „за среща“.
- Ами за каквото и да е...
В това време Петя, на когото никой не обръщаше внимание, се приближи до баща си и цялата червена, с пречупен, ту груб, ту тънък глас каза:
„Е, сега, татко, решително ще кажа - и мама също, каквото искаш - решително ще кажа, че ще ме пуснеш на военна служба, защото не мога ... това е всичко ...
Графинята вдигна ужасени очи към небето, стисна ръце и гневно се обърна към съпруга си.
- Значи се съгласих! - тя каза.
Но графът веднага се съвзе от вълнението си.
„Е, добре“, каза той. - Ето още един воин! Спри с глупостите: трябва да учиш.
- Това не са глупости, татко. Федя Оболенски е по-млад от мен и също идва и най-важното е, че все още не мога да науча нищо сега, когато ... - Петя спря, изчерви се до изпотяване и каза: - когато отечеството е в опасност.
- Пълни, пълни глупости...
- Но ти сам каза, че ще пожертваме всичко.
— Петя, казвам ти, млъкни — извика графът и погледна към съпругата си, която, пребледняла, погледна с втренчени очи най-малкия си син.
- И аз ти казвам. Така ще каже Пьотър Кирилович...
„Казвам ви, това са глупости, млякото още не е пресъхнало, но той иска да отиде на военна служба!“ Добре, добре, казвам ви - и графът, като взе документите със себе си, вероятно за да ги прочете отново в кабинета, преди да си почине, излезе от стаята.
- Пьотр Кирилович, добре, хайде да изпушим...
Пиер беше объркан и нерешителен. Необичайно ярките и оживени очи на Наташа, които непрекъснато го гледаха повече от нежно, го доведоха до това състояние.
- Не, мисля да се прибера...
- Все едно се прибрахте, но искахте да прекарате вечерта с нас... И тогава рядко идвахте. А този мой... - каза добродушно графът, сочейки Наташа, - е весел само когато си наоколо...
„Да, забравих... Определено трябва да се прибера... Неща за вършене...“ - каза Пиер припряно.
„Е, довиждане“, каза графът и напълно напусна стаята.
- Защо си тръгваш? Защо си тъжен? Защо?.. - попита Наташа Пиер, гледайки предизвикателно в очите му.
В допълнение към действието на химични процеси, които влияят върху свойствата на повърхността и фрикционното взаимодействие между твърдите тела, има открит и проучен P.A. Rebinder е подобен лубрикант, поради чисто молекулярното взаимодействие на лубриканта с твърди повърхности, наречено „ефект на Rebinder“.
Реалните твърди тела имат както повърхностни, така и вътрешни структурни дефекти. По правило такива дефекти имат излишък на свободна енергия. Благодарение на физическата адсорбция на молекулите на повърхностноактивните вещества (повърхностно активните вещества) възниква нивото на свободната повърхностна енергия на твърдото тяло в местата на тяхното кацане. Това намалява работната функция на дислокациите, достигащи повърхността. Повърхностноактивните вещества проникват в пукнатини и в междукристалното пространство, оказват механично въздействие върху стените им и, раздалечавайки ги, водят до крехко напукване на материала и намаляване на якостта на контактуващите тела. И ако такива процеси се развиват само върху издатините на контактуващите тела, намалявайки устойчивостта на срязване на неравностите на този материал, тогава като цяло този процес води до изглаждане на повърхността, намаляване на специфичното налягане в контактната зона и като цяло
намаляване на триенето и износването на триещите се тела. Но ако нормалните натоварвания на триене се увеличат значително, високите специфични налягания се разпространяват върху цялата зона на контура, омекването на материала настъпва върху голяма площ от повърхността и води до много бързото му разрушаване.
Ефектът на Rehbinder се използва широко както при разработването на смазочни материали (за това в смазката се въвеждат специални повърхностноактивни вещества), така и за улесняване на деформацията и обработката на материала при производството на машинни части (за това специални смазочни материали и емулсии в формата на срязващи течности се използват).
Ефектът на Rebinder се проявява върху голямо разнообразие от материали. Те включват метали, скали, стъкло, елементи на машини и оборудване. Средата, причиняваща намаляване на якостта, може да бъде газообразна или течна. Често разтопените метали могат да действат като повърхностно активни вещества. Например, медта, освободена при стопяване на плъзгащ лагер, се превръща в повърхностно активно вещество за стомана. Прониквайки в пукнатините и междукристалното пространство на осите на каретата, този процес причинява крехко разрушаване на осите и причинява инциденти в транспорта.
Без да обръщаме нужното внимание на естеството на процеса, често започваме да се сблъскваме с примери, при които амонякът причинява напукване на месингови части, газообразните продукти от горенето рязко ускоряват процеса на разрушаване на турбинните лопатки, разтопеният магнезиев хлорид действа разрушително върху високоякостни неръждаеми стомани и редица други. Познаването на природата на тези явления отваря възможности за конкретно решаване на проблемите на повишаване на устойчивостта на износване и разрушаване на критични части и възли на машини и оборудване и с правилното използване на ефекта на Ребиндер, за повишаване на производителността на обработващото оборудване и ефективността на с помощта на фрикционни двойки, т.е. за пестене на енергия.
Феноменът на омокряемост беше разгледан за равновесното състояние на системата. При условия на резервоара се наблюдават нестабилни процеси, протичащи на границата. Поради изместването на маслото от вода се образува подвижен трифазен периметър на намокряне. Контактният ъгъл се променя в зависимост от скоростта и посоката на движение на течността (течен менискус, фиг. 5.5) в канали и пукнатини.
Фигура 5.5 – Схема на промените в ъглите на намокряне при промяна на посоката на движение на менискуса в капилярния канал: 1 – напредване, 2 – отстъпление ъгли на намокряне, когато водно-масленият менискус се движи в цилиндричен канал с хидрофилна повърхност ( – статичен ъгъл на намокряне)
Кинетичен хистерезис на намокрянеобичайно е да се нарича промяната в контактния ъгъл при движение по твърда повърхност на трифазния периметър на намокряне. Размерът на хистерезиса зависи от:
върху посоката на движение на мокрия периметър, т.е. върху това дали водата се измества от твърда повърхност от масло или масло от вода;
скоростта на движение на трифазния интерфейс върху твърда повърхност;
грапавост на твърда повърхност;
адсорбция на повърхността на веществата.
Явленията на хистерезис се появяват главно върху грапави повърхности и са от молекулярно естество. При полирани повърхности хистерезисът е слаб.
5.6 Свойства на повърхностните слоеве на пластовите течности
Има различни предположения за структурата на повърхностния слой.
Много изследователи, изучаващи структурата и дебелината на тънки слоеве течност, свързват образуването на стенни слоеве с поляризацията на молекулите и тяхната ориентация от повърхността на твърдото тяло към вътрешните области на течността с образуването на слоеве на солватация 1.
Маслените пластове в контакт с пластовите скали имат особено сложна структура, тъй като взаимодействието на повърхностноактивните вещества с минералите е много разнообразно.
Беше отбелязано, например, че реагентите, използвани във флотационната технология, могат да бъдат фиксирани върху повърхността на минерал както под формата на обикновени триизмерни филми, които образуват независима фаза на повърхността на минералните частици, така и под формата на повърхностни съединения, които нямат определен състав и не образуват отделна независима фаза.
И накрая, реагентите могат да се концентрират в дифузионната част на двойния електрически слой, а не върху самия фазов интерфейс.
Компонентите на повърхностно активното вещество изглежда винаги са концентрирани не само на повърхността, но и в триизмерния обем близо до интерфейса.
Много изследователи са правили опити да измерят дебелината на филма на различни течности върху твърди тела. Например, според резултатите от измерванията на Б. В. Дерягин и М. М. Кусаков, дебелината на омокрящите филми от водни солеви разтвори върху различни твърди плоски повърхности е около 10 -5 cm (100 mm). Тези слоеве се различават от останалата течност по структура и механични свойства - еластичност при срязване и повишен вискозитет. Установено е, че свойствата на течността в повърхностния слой също се променят поради нейното компресиране. Например, плътността на водата, адсорбирана от силикагел, според някои измервания е 1027-1285 kg/m3.
Адсорбцията и свързаните с нея сольватационни обвивки на фазовите интерфейси в нефтен резервоар също имат специални свойства. Някои компоненти на маслото могат да образуват гелообразни структурирани адсорбционни слоеве (с необичайни - аномални свойства) с висок структурен вискозитет, а при високи степени на насищане на адсорбционния слой - с еластичност и механична якост на срязване.
Изследванията показват, че съставът на повърхностните слоеве на границата масло-вода включва нафтенови киселини, смоли с ниско молекулно тегло, колоидни частици от смоли с високо молекулно тегло и асфалтени, парафинови микрокристали, както и частици от минерални и въглеродни суспензии. Предполага се, че повърхностният слой на границата масло-вода се образува в резултат на натрупване на минерални и въглеродни частици, както и на парафинови микрокристали под въздействието на селективно намокряне на хидрофилни участъци от тяхната повърхност с водната фаза. Асфалтово-смолисти вещества, адсорбирани върху една и съща интерфейсна повърхност, превръщайки се в гелообразно състояние, циментови частици от парафин и минерали в един монолитен слой. Повърхностният слой се удебелява още повече поради солватизацията на гелове от асфалтово-смолисти вещества от маслената фаза.
Специалните структурни и механични свойства на повърхностните слоеве определят стабилизирането на различни системи и по-специално високата стабилност на някои водно-маслени емулсии.
Съществуването на адсорбционни слоеве на остатъчната граница вода-нефт също очевидно има известен забавящ ефект върху процесите на смесване на водата, инжектирана в резервоара с остатъчна вода.
5.7 Заклинващ ефект на тънки слоеве течност.
Опитите на Дерягин. Rebinder ефект
Течност, която намокря твърдо тяло, прониквайки в тънки пукнатини, може да играе ролята на клин и да раздалечи стените му, т.е. тънките слоеве течност имат заклинващ ефект 2. Това свойство на тънките слоеве се проявява и когато твърди повърхности, потопени в течност, се приближават една към друга. Според изследването на Б. В. Дерягин ефектът на заклинване възниква при условие, че дебелината на слоя ч течността, раздалечаваща повърхността на пукнатината, е по-малка от определена стойност ч кр. При ч > ч крефектът на заклинване е нула и при ч < ч кртя се увеличава с намаляване на дебелината на течния слой, т.е. от момента ч ≤ ч крЗа да се сближат повърхностите на частиците, към тях трябва да се приложи външно натоварване.
Факторите, които създават ефекта на заклинване, са сили от йонно-електростатичен произход и специално състояние на агрегиране на полярни течности в близост до граничните повърхности.
По-рано беше споменато, че свойствата на слоя солватация на повърхността на твърдо вещество се различават рязко от свойствата на останалата част от течността. Този (солватен) слой може да се разглежда като специална гранична фаза. Следователно, когато частиците се доближат до разстояния, по-малки от два пъти дебелината на солватните слоеве, към частиците трябва да се приложи външно натоварване.
Разединителното налягане от йонно-електростатичен произход възниква поради промени в концентрацията на йони в слоя, разделящ частиците, и в разтвора около тях.
Според резултатите от експеримента, колкото по-силна е връзката между течността и повърхностите на твърдото тяло, толкова по-голям е ефектът на заклинване. Тя може да бъде подобрена чрез въвеждане на повърхностноактивни вещества в течността, които са добре адсорбирани от повърхността на твърдото вещество. Ефектът на Rebinder се основава на това явление. Същността му се състои в това, че малки количества повърхностноактивни вещества предизвикват рязко влошаване на механичните свойства на твърдото вещество. Адсорбционното намаляване на якостта на твърдите вещества зависи от много фактори. Тя се засилва, ако тялото е подложено на опънни сили и ако течността добре намокри повърхността.
Ефектът на адсорбционното намаляване на якостта се използва при сондиране на кладенци. При използване на разтвори, съдържащи специално подбрани повърхностно активни вещества като промивни течности, пробиването в твърди скали е значително по-лесно.
РЕБИНДЕР Петър Александрович (03.X.1898-12.VII.1972), съветски физикохимик, академик на Академията на науките на СССР от 1946 г. (член-кореспондент от 1933 г.), роден в Санкт Петербург. Завършва Физико-математическия факултет на Московския университет (1924). През 1922-1932г работи в Института по физика и биофизика на Академията на науките на СССР и в същото време (през 1923-1941 г.) в Московския държавен педагогически институт на името на. К. Либкнехт (от 1923 г. - професор), от 1935 г. - ръководител на отдела за дисперсни системи в Колоидно-електрохимичния институт (от 1945 г. - Институт по физикохимия) на Академията на науките на СССР, от 1942 г. - ръководител на отдела по колоидна химия в Московския университет.
Работите на Ребиндер са посветени на физикохимията на дисперсните системи и повърхностните явления. През 1928 г. ученият открива феномена на намаляване на якостта на твърдите тела поради обратимото физико-химично въздействие на околната среда върху тях (ефект на Ребиндер) и през 1930-1940 г. разработени начини за улесняване на обработката на много твърди и трудни за рязане материали.
Той откри електрокапилярния ефект на пластификация на метални монокристали по време на процеса на пълзене по време на поляризацията на тяхната повърхност в електролитни разтвори, изследва характеристиките на водните разтвори на повърхностноактивни вещества, влиянието на адсорбционните слоеве върху свойствата на дисперсните системи, идентифицирани (1935 г. -1940) основните принципи на образуване и стабилизиране на пени и емулсии, както и процеса на обръщане на фазите в емулсии.
Ученият установява, че почистващото действие включва сложен набор от колоидни химични процеси. Rebinder изучава процесите на образуване и структура на мицелите на повърхностноактивните вещества, развива идеи за термодинамично стабилна мицела на сапуни с лиофобно вътрешно ядро в лиофилна среда. Ученият подбра и обоснова оптималните параметри за характеризиране на реологичните свойства на дисперсните системи и предложи методи за тяхното определяне.
През 1956 г. ученият открива феномена на адсорбционно намаляване на якостта на металите под въздействието на метални стопилки. През 50-те години на миналия век Учените създадоха нова област на науката - физическа и химическа механика. Както самият Ребиндер пише: „Крайната задача на физико-химичната механика е да разработи научната основа за получаване на твърди вещества и системи с дадени структури и механични свойства. Следователно задачата на тази област включва създаването на оптимално насочена технология за производство и обработка на почти всички строителни и структурни материали на съвременната технология - бетон, метали и сплави, особено топлоустойчиви, керамика и металокерамика, каучук , пластмаси, смазочни материали.
От 1958 г. Ребиндер е председател на Научния съвет на Академията на науките на СССР по проблемите на физическата и химическата механика и колоидната химия, след това (от 1967 г.) председател на Националния комитет на СССР към Международния комитет по повърхностноактивни вещества. От 1968 до 1972 г. е главен редактор на Colloid Journal. Ученият е награден с два ордена на Ленин, има званието Герой на социалистическия труд (1968), лауреат на Държавната награда на СССР (1942).
Ефектът на Ребиндер, ефектът на адсорбция, намаляващ якостта на твърдите вещества, улесняващ деформацията и разрушаването на твърдите вещества поради обратимото физико-химично влияние на околната среда. Открит от P. A. Rebinder (1928) при изучаване на механичните свойства на кристали калцит и каменна сол. Възможно е, когато твърдо тяло в напрегнато състояние влезе в контакт с течна (или газова) адсорбционно активна среда. Ефектът на Ребиндер е много универсален - наблюдава се в твърди метали, йонни, ковалентни и молекулни моно- и поликристални твърди вещества, стъкла и полимери, частично кристализирани и аморфни, порести и твърди. Основното условие за проявата на ефекта на Ребиндер е свързаността на контактуващите фази (твърдо тяло и среда) по химичен състав и структура. Формата и степента на проявление на ефекта зависят от интензивността на междуатомните (междумолекулните) взаимодействия на контактуващите фази, величината и вида на напрежението (изисква се напрежение на опън), скоростта на деформация и температурата. Значителна роля играе действителната структура на тялото - наличието на дислокации, пукнатини, чужди включвания и др. Характерна форма на проявление на ефекта на Ребиндер е многократно намаляване на якостта, увеличаване на крехкостта на твърдото тяло , и намаляване на неговата издръжливост. Така цинкова плоча, напоена с живак, не се огъва под натоварване, а се счупва крехко. Друга форма на проявление е пластифициращият ефект на средата върху твърди материали, например вода върху гипс, органични повърхностноактивни вещества върху метали и др. Термодинамичният ефект на Rebinder се причинява от намаляване на работата по образуване на нова повърхност по време на деформация като резултат от намаляване на свободната повърхностна енергия на твърдото тяло под въздействието на околната среда. Молекулярната природа на ефекта е да улесни разкъсването и пренареждането на междумолекулни (междуатомни, йонни) връзки в твърдо вещество в присъствието на адсорбционно активни и в същото време достатъчно подвижни чужди молекули (атоми, йони).
Най-важните области на техническо приложение са улесняване и подобряване на механичната обработка на различни (особено много твърди и трудни за обработка) материали, регулиране на процесите на триене и износване с помощта на смазочни материали, ефективно получаване на натрошени (прахообразни) материали, получаване на твърди вещества и материали с дадена дисперсна структура и необходимата комбинация от механични и други свойства чрез дезагрегиране и последващо уплътняване без вътрешни напрежения. Адсорбционно-активната среда може също да причини значителна вреда, например намаляване на здравината и издръжливостта на машинни части и материали при работни условия. Елиминирането на факторите, допринасящи за проявата на ефекта на Rebinder в тези случаи, прави възможно защитата на материалите от нежелани влияния на околната среда.
Дори и най-здравите тела имат огромен брой дефекти, които отслабват тяхната устойчивост на натоварване и ги правят по-малко здрави в сравнение с това, което теорията предвижда. При механичното разрушаване на твърдо тяло процесът започва от мястото, където се намират микродефектите. Увеличаването на натоварването води до развитие на микропукнатини на мястото на дефекта. Премахването на натоварването обаче води до възстановяване на първоначалната структура: ширината на микропукнатината често е недостатъчна за пълното преодоляване на силите на междумолекулно (междуатомно) взаимодействие. Намаляването на натоварването води до „свиване“ на микропукнатината, силите на междумолекулно взаимодействие се възстановяват почти напълно и пукнатината изчезва. Въпросът е също така, че образуването на пукнатина е образуването на нова повърхност на твърдо тяло и такъв процес изисква изразходване на енергия, равна на енергията на повърхностното напрежение, умножена по площта на тази повърхност. Намаляването на натоварването води до „свиване“ на пукнатините, тъй като системата се стреми да намали съхраняваната в нея енергия. Следователно, за да се унищожи успешно твърдо вещество, е необходимо да се покрие получената повърхност със специално вещество, наречено повърхностноактивно вещество, което ще намали работата по преодоляване на молекулярните сили при формирането на нова повърхност. Повърхностноактивните вещества проникват в микропукнатини, покриват повърхностите им със слой с дебелина само една молекула (което прави възможно използването на много малки количества добавки от тези вещества), предотвратявайки процеса на „срутване“, предотвратявайки възобновяването на молекулярното взаимодействие.
Повърхностно активните вещества, при определени условия, улесняват смилането на твърди вещества. Много фино (до размера на колоидни частици) смилане на твърди вещества обикновено е невъзможно да се постигне без добавяне на повърхностно активни вещества.
Сега остава да се помни, че разрушаването на твърдо тяло (т.е. образуването на нови микропукнатини) започва точно от мястото, където се намира дефектът в структурата на това тяло. В допълнение, добавеното повърхностноактивно вещество също се адсорбира предимно в местата на дефектите - по този начин се улеснява адсорбцията му върху стените на бъдещи микропукнатини. Нека цитираме думите на академик Ребиндер: „Отделянето на част се случва точно в тези слаби места [местоположението на дефектите] и следователно малките частици на тялото, образувани по време на смилането, вече не съдържат тези най-опасни дефекти. За да бъдем по-точни, вероятността да срещнете опасна слаба точка става по-малка, колкото по-малък е нейният размер.
Ако чрез смилане на истинско твърдо тяло от каквото и да е естество достигнем до частици, чиито размери са приблизително същите като разстоянията между най-опасните дефекти, тогава такива частици почти сигурно няма да съдържат опасни структурни дефекти, те ще станат много по-здрави от големите проби от същото самото тяло. Следователно, човек трябва само да натроши твърдо вещество на достатъчно малки парчета и тези парчета от една и съща природа, същия състав ще бъдат най-издръжливите, почти идеално здрави.
След това тези хомогенни, бездефектни частици трябва да се комбинират, да се направи от тях твърдо (високоякостно) тяло с необходимите размери и форма, да се принудят частиците да се опаковат плътно и да се съединят много здраво една с друга. Получената машина или строителна част трябва да бъде много по-здрава от оригиналния материал преди смилане. Естествено, той не е толкова силен, колкото отделна частица, тъй като в точките на сливане ще се появят нови дефекти. Въпреки това, ако процесът на комбиниране на частици се извършва умело, силата на оригиналния материал ще бъде надмината. Това изисква малките частици да бъдат опаковани особено плътно, така че между тях отново да възникнат сили на междумолекулно взаимодействие. Обикновено това се прави чрез компресиране на частици чрез пресоване и нагряване. Полученият чрез пресоване финозърнест агрегат се нагрява, без да се довежда до топене. С повишаване на температурата амплитудата на топлинните вибрации на молекулите (атомите) в кристалната решетка се увеличава. В точките на контакт вибриращите молекули на две съседни частици се приближават и дори се смесват. Силите на сцепление се увеличават, частиците се изтеглят заедно, като практически не оставят празнини или пори, а дефектите в точките на контакт изчезват.
В някои случаи частиците могат да бъдат залепени или запоени една към друга. В този случай процесът трябва да се извърши по такъв начин, че слоевете лепило или спойка да не съдържат дефекти.
Радикално подобрение в процеса на смилане на твърди вещества, базирано на практическото приложение на ефекта на Ребиндер, се оказа много полезно за много индустрии. Технологичните процеси на смилане значително се ускориха, а консумацията на енергия значително намаля. Финото смилане направи възможно извършването на много технологични процеси при по-ниски температури и налягания. В резултат на това се получават по-висококачествени материали: бетон, керамични и металокерамични изделия, багрила, маси за моливи, пигменти, пълнители и много други. Улеснява се механичната обработка на огнеупорни и топлоустойчиви стомани.
Ето как самият той описва метода за прилагане на ефекта на Ребиндер: „Строителните части от циментобетон могат надеждно да се комбинират в монолитна конструкция чрез залепване с циментово виброколоидно лепило... Такова лепило е смес от фино смлян цимент (част от който може да бъде заменен с фино смлян пясък) с изключително малко количество вода и добавяне на повърхностно активно вещество. Сместа се втечнява от екстремни вибрации по време на нанасяне върху залепените повърхности под формата на тънък слой. След бързото втвърдяване лепилният слой става най-здравата точка в структурата.“
Използването на идеите на академик Ребиндер за улесняване на процеса на смилане на твърди вещества е от голямо практическо значение, например за разработване на метод за намаляване на якостта на минералите, за да се повиши ефективността на пробиване в твърди скали.
Намаляване на якостта на металите под въздействието на метални стопилки.През 1956 г. Ребиндер открива феномена на намаляване на якостта на металите под въздействието на метални стопилки. Доказано е, че най-голямото намаляване на повърхностната енергия на твърдото тяло (метал) до почти нула може да бъде причинено от разтопени среди, които са близки до твърдото вещество по молекулярна природа. По този начин якостта на опън на цинковите монокристали беше намалена десетки пъти чрез нанасяне на слой течен метален калай с дебелина 1 микрон или по-малко върху повърхността им. Подобни ефекти за огнеупорни и топлоустойчиви сплави се наблюдават под въздействието на течни нискотопими метали.
Откритият феномен се оказа много важен за подобряване на методите за формоване на метали. Този процес е невъзможен без използването на лубрикант. За материали от нова технология - огнеупорни и топлоустойчиви сплави - обработката е особено значително улеснена чрез използването на активни смазки, които омекотяват тънките повърхностни слоеве на метала (което всъщност се случва под въздействието на малки количества метални стопилки). В този случай изглежда, че металът се смазва - елиминира се вредната излишна деформация, която възниква по време на обработката, която причинява така нареченото втвърдяване - увеличаване на якостта, което пречи на обработката. Откриват се нови възможности за обработка на метали чрез налягане при нормални и повишени температури: повишава се качеството на продуктите, намалява се износването на обработващия инструмент и консумацията на енергия за обработка.
Вместо да превръщате скъп метал в чипове по време на процеса на производство на продукт чрез рязане, можете да използвате пластмасова промяна на формата: обработка под налягане без загуба на метал. В същото време качеството на продуктите също се повишава.
Рязкото намаляване на якостта на повърхностния слой от метали играе важна роля за подобряване на работата на триещите се единици. Възниква автоматично действащ механизъм за контрол на износването: ако има случайни неравности върху триещите се повърхности (неуредици, драскотини и др.), В местата на тяхното разместване се развива високо локално налягане, което води до повърхностно изтичане на метали, значително улеснено под действието на адсорбирани се стопява (металът на намокрения от стопилка повърхностен слой губи здравина). Триещите се повърхности могат лесно да бъдат шлифовани или полирани. Въведеното “смазване” предизвиква ускорено “износване” на неравностите, а скоростта на наработване (разработване) на машините се увеличава.
Активните примесни стопилки могат да се използват като модификатори на процеса на кристализация. Адсорбирани върху зародишните кристали на освободения метал, те намаляват скоростта на растеж. Така се образува дребнозърнеста метална структура с по-висока якост.
Разработен е процес за “обучение” на метал в повърхностноактивна среда. Металът е подложен на периодични повърхностни въздействия, които не водят до разрушаване. Поради релефа на пластичните деформации в повърхностните слоеве, металът във вътрешния обем сякаш се „омесва“ и кристалната решетка на зърната се разпръсква. Ако такъв процес се проведе при температура, близка до температурата, при която металът започва да рекристализира, в повърхностноактивна среда се образува финокристална структура с много по-висока твърдост. Смилането на метали за получаване на фин прах не може да се осъществи без използването на повърхностно активни стопилки. Впоследствие продуктите се произвеждат от този прах чрез горещо пресоване (в пълно съответствие с процеса на втвърдяване на материали от прахове, описан по-горе).
ЕФЕКТ НА РЕБИНДЕРА В ПОЛИМЕРИ. Изключителният съветски физикохимик академик Пьотр Александрович Ребиндер беше първият, който се опита да повлияе на работата по разрушаване на твърдо тяло. Ребиндер беше този, който успя да разбере как може да стане това. Още през 20-те години на миналия век той използва за тази цел така наречените повърхностно активни или адсорбционно активни вещества, които са в състояние ефективно да адсорбират на повърхността дори при ниски концентрации в околната среда и рязко да намалят повърхността напрежение на твърди тела. Молекулите на тези вещества атакуват междумолекулните връзки на върха на растяща фрактурна пукнатина и, адсорбирани върху новообразувани повърхности, ги отслабват. Чрез избора на специални течности и въвеждането им върху повърхността на разрушимо твърдо вещество, Rebinder постигна поразително намаляване на работата на счупване при опън (фиг. 1). Фигурата показва кривите напрежение-деформация на цинков монокристал (плоча с дебелина около милиметър) в отсъствие и присъствие на повърхностноактивна течност. Моментът на унищожаване и в двата случая е отбелязан със стрелки. Ясно се вижда, че ако просто разтегнете пробата, тя се счупва при повече от 600% удължение. Но ако същата процедура се извърши чрез нанасяне на течен калай върху повърхността му, разрушаването настъпва само при ~ 10% удължение. Тъй като работата на разрушаване е площта под кривата напрежение-деформация, лесно е да се види, че наличието на течност намалява работата дори не с пъти, а с порядъци. Именно този ефект се нарича ефект на Ребиндер или адсорбционно намаляване на якостта на твърдите вещества.
Фиг. 1. Зависимост на напрежението от деформация на монокристали цинк при 400°C: 1 - във въздуха; 2 -- в разтопен калай
Ефектът на Ребиндер е универсално явление, наблюдава се при разрушаването на всякакви твърди вещества, включително полимери. Естеството на обекта обаче въвежда свои собствени характеристики в процеса на разрушаване и полимерите не са изключение в този смисъл. Полимерните филми се състоят от големи, цели молекули, държани заедно от силите на Ван дер Ваалс или водородни връзки, които са значително по-слаби от ковалентните връзки в самите молекули. Следователно молекулата, дори да е член на колектив, запазва определена изолация и индивидуални качества. Основната характеристика на полимерите е верижната структура на техните макромолекули, което осигурява тяхната гъвкавост. Гъвкавостта на молекулите, т.е. способността им да променят формата си (поради деформация на ъглите на свързване и завъртане на връзките) под въздействието на външно механично напрежение и редица други фактори е в основата на всички характерни свойства на полимерите. На първо място, способността на макромолекулите да се ориентират взаимно. Все пак трябва да се отбележи, че последното се отнася само за линейни полимери. Има огромен брой вещества с високо молекулно тегло (например протеини и други биологични обекти), но нямат специфичните свойства на полимерите, тъй като силните вътремолекулни взаимодействия предотвратяват огъването на техните макромолекули. Освен това типичният представител на полимерите - естественият каучук - като е "омрежен" с помощта на специални вещества (процес на вулканизация), може да се превърне в твърдо вещество - ебонит, което изобщо не показва никакви признаци на полимерни свойства.
В полимерите ефектът на Ребиндер се проявява по много уникален начин. В адсорбционно активна течност възникването и развитието на нова повърхност се наблюдава не само по време на разрушаването, но много по-рано - дори по време на процеса на деформация на полимера, който е придружен от ориентацията на макромолекулите.
Фиг.2. Външен вид на проби от полиетилен терефталат, опънати във въздух (а) и в адсорбционно активна среда (n-пропанол) (б).
rebinder полимер метална якост
Фигура 2 показва изображения на две проби от лавсан, едната от които е опъната във въздуха, а другата в адсорбционно активна течност. Ясно се вижда, че в първия случай в пробата се появява шийка. Във втория случай филмът не се стеснява, а става млечнобял и не прозрачен. Причините за наблюдаваното побеляване стават ясни при микроскопско изследване.
Фиг.3. Електронна микроснимка на проба от полиетилен терефталат, деформирана в n-пропанол. (увеличение 1000)
Вместо монолитна прозрачна шия, в полимера се образува уникална фибриларно-пореста структура, състояща се от нишковидни агрегати от макромолекули (фибрили), разделени от микрокухини (пори). В този случай взаимната ориентация на макромолекулите се постига не в монолитна шия, а вътре във фибрилите. Тъй като фибрилите са разделени в пространството, такава структура съдържа огромен брой микрокухини, които интензивно разпръскват светлината и придават на полимера млечнобял цвят. Порите са пълни с течност, така че хетерогенната структура се запазва дори след премахване на деформиращия стрес. Фибриларно-порестата структура се появява в специални зони и при деформиране на полимера улавя все по-голям обем. Анализът на микроскопските изображения позволи да се установят особеностите на структурните пренареждания в полимера, подложен на крейзинг (фиг. 4).
Фиг.4. Схематично представяне на отделните етапи на полимерния крейзинг: I - започване на крейзове, II - растеж на крейзове, III - разширяване на крейзове.
Произхождайки от всеки дефект (нехомогенност на структурата), които са в изобилие на повърхността на всяко истинско твърдо вещество, пукнатините растат през цялото напречно сечение на разтегнатия полимер в посока, нормална към оста на напрежението на опън, поддържайки постоянна и много малка ( ~1 μm) ширина. В този смисъл те са подобни на истинските фрактурни пукнатини. Но когато манията „нарязва“ цялото напречно сечение на полимера, пробата не се разпада на отделни части, а остава едно цяло. Това се дължи на факта, че противоположните ръбове на такава своеобразна пукнатина са свързани с най-тънките нишки от ориентиран полимер (фиг. 3). Размерите (диаметрите) на фибриларните образувания, както и разделящите ги микрокухини са 1–10 nm.
Когато фибрилите, свързващи противоположните стени на крейзовете, станат достатъчно дълги, започва процесът на тяхното сливане (в този случай повърхността намалява, фиг. 5). С други думи, полимерът претърпява особен структурен преход от рехава структура към по-компактна, състояща се от плътно опаковани агрегати от фибрили, които са ориентирани по посока на оста на разтягане.
Фиг.5. Диаграма, илюстрираща колапса на полимерната структура, който възниква при големи стойности на деформация в адсорбционно активна течност, на различни етапи на разтягане
Съществува метод за разделяне на молекули чрез адсорбция от разтвор на тези, които могат да проникнат в пори с определен размер (ефект на молекулярно сито). Тъй като размерът на порите може лесно да се регулира чрез промяна на степента на полимерно разширение в адсорбционно-активната среда (използвайки ефекта на Rebinder), селективната адсорбция е лесна за постигане. Важно е да се отбележи, че адсорбентите, използвани в практиката, обикновено са вид прах или гранулат, който се пълни в различни видове контейнери (например сорбентът в същия противогаз). Използвайки ефекта на Rehbinder, е лесно да се получи филм или влакно с нанометрична порьозност. С други думи, отваря се перспектива за създаване на конструктивен материал, който има оптимални механични свойства и в същото време е ефективен сорбент.
Използвайки ефекта на Rehbinder, по елементарен начин (чрез просто разтягане на полимерен филм в адсорбционно активна среда), е възможно да се направят порести полимерни филми на базата на почти всички синтетични полимери. Размерите на порите в такива филми могат лесно да се регулират чрез промяна на степента на деформация на полимера, което прави възможно производството на разделителни мембрани за решаване на голямо разнообразие от практически проблеми.
Ефектът на Ребиндер в полимерите има голям приложен потенциал. Първо, чрез просто извличане на полимер в адсорбционно активна течност е възможно да се получат различни полимерни сорбенти, разделителни мембрани и полимерни продукти с напречен релеф, и второ, ефектът на Ребиндер дава на химика универсален, непрекъснат метод за въвеждане на модифициращи добавки в полимери.
Списък на използваните материали
- 1. www.rfbr.ru/pics/28304ref/file.pdf
- 2. www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/4.html
- 3. http://femto.com.ua/articles/part_2/3339.html
- 4. Голяма съветска енциклопедия. М.: Съветска енциклопедия, 1975, том 21.
- 5. http://him.1september.ru/2003/32/3.htm
- 6. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00065/40400.htm
- 7. http://www.nanometer.ru/2009/09/07/rfbr_156711/PROP_FILE_files_1/rffi4.pdf
- 8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Rebinder_Effect
Този роман е „колекция от пъстри глави“, където всяка глава е наречена с реплика от Пушкин и е независима история за един от героите. И в романа има много герои - талантлив музикант от следвоенния период, „сладък женкар“ и домашна, примерна ученичка от средата на 50-те години, в чиято душа горят страсти, които са невидими за света - завист , ревност, забранена любов; сиропиталище, ядрен физик, син на репресиран комисар и селски пожарник, свидетел на ГУЛАГ и много, много други. Частните истории прерастват в картина на руската история на 20 век, но романът не е историческо платно, а по-скоро многостранна семейна сага и колкото по-нататък се развива разказът, толкова повече съдбите на героите се преплитат около мистериозния Катенин семейство, потомци на „същия този Катенин“, приятел на Пушкин. Романът е пълен с мистерии и тайни, страсти и оплаквания, любов и горчиви загуби. И все по-често възниква аналогия с тяснонаучната концепция за „ефекта на Ребиндер“ - както капка калай разбива гъвкава стоманена плоча, така едно незначително на пръв поглед събитие напълно променя и разбива конкретен човешки живот.
„Кратки истории, елегантно нанизани, като мъниста на конец: всеки от тях е отделна история, но изведнъж един сюжет се влива в друг и съдбите на героите се пресичат по най-неочакван начин, нишката не се прекъсва. Цялото повествование е дълбоко мелодично, пронизано е с музика – и любов. Някои хора цял живот са разглезени от любовта, други се борят болезнено за нея. Съученици и любовници, родители и деца, силно и неразрушимо единство на хората, основано не на кръвно родство, а на любов и човешка доброта - и нишката на сюжета, върху която са добавени още няколко мъниста, е все така силна. .. Ето как човешките взаимоотношения издържат проверката на сталинското време, „размразяването“ и лицемерието на „развития социализъм“ с неговия връх – катастрофата в Чернобил. Нишката не се къса, почти противно на закона на Ребиндер.
Елена Катишонок, лауреат на наградата "Ясна поляна" и финалист на руския Букър
От нашия уебсайт можете да изтеглите книгата „Ефектът на Ребиндер“ от Елена Минкина-Тайхер безплатно и без регистрация във формат fb2, rtf, epub, pdf, txt, да прочетете книгата онлайн или да купите книгата в онлайн магазина.
