Reprezentuje spadek siły adsorpcji - zmianę właściwości mechanicznych ciał stałych w wyniku procesów fizykochemicznych, powodującą zmniejszenie energii powierzchniowej (międzyfazowej) ciała. W przypadku ciała krystalicznego, oprócz zmniejszenia energii powierzchniowej, aby efekt Rehbindera mógł się ujawnić, ważne jest również, aby kryształ posiadał defekty w strukturze niezbędne do zapoczątkowania pęknięć, które następnie propagują się pod wpływem środowisko. W ciałach polikrystalicznych takimi defektami są granice ziaren: 350. Przejawia się spadkiem wytrzymałości i pojawieniem się kruchości, spadkiem trwałości i łatwiejszą dyspersją. Aby efekt Rebindera wystąpił, konieczne są następujące warunki:
- Kontakt ciała stałego z ciekłym ośrodkiem
- Obecność naprężeń rozciągających
Główne cechy odróżniające efekt Rehbindera od innych zjawisk, takich jak korozja i rozpuszczanie, są następujące:337:
- szybkie pojawienie się – natychmiast po kontakcie organizmu z otoczeniem
- wystarczająca jest niewielka objętość substancji działającej na ciało stałe, ale tylko z towarzyszącym efektem mechanicznym
- przywrócenie ciała do jego pierwotnych właściwości po usunięciu podłoża
Przykłady efektu Rebindera
Napisz recenzję o artykule "Efekt Rebindera"
Notatki
Literatura
- Getsov G.G. Kropla dłutuje kamień // Chemia i życie. - 1972. - nr 3. - s. 14-16.
- S.V. Grachev, V.R. Baraz, A.A. Bogatov, V.P. Shveikin. „Nauka o materiałach fizycznych”
Spinki do mankietów
- na YouTube
Fragment opisujący efekt Rebindera
– „Do naszej stolicy-matki-tronu, Moskwy.Wróg wkroczył do Rosji z wielkimi siłami. Nadchodzi, aby zrujnować naszą drogą ojczyznę” – Sonya pilnie czytała cienkim głosem. Hrabia, zamykając oczy, słuchał, miejscami wzdychając impulsywnie.
Natasza siedziała wyciągnięta, badawczo i bezpośrednio patrząc najpierw na ojca, potem na Pierre'a.
Pierre poczuł jej wzrok na sobie i starał się nie oglądać za siebie. Hrabina pokręciła głową z dezaprobatą i złością na każde uroczyste sformułowanie manifestu. We wszystkich tych słowach widziała jedynie, że niebezpieczeństwa grożące jej synowi szybko się nie skończą. Shinshin, z ustami wykrzywionymi w drwiącym uśmiechu, najwyraźniej przygotowywał się do kpiny z pierwszej rzeczy przedstawionej do ośmieszenia: odczytania Soni, tego, co powie hrabia, nawet samego apelu, gdyby nie pojawiła się lepsza wymówka.
Przeczytawszy o niebezpieczeństwach zagrażających Rosji, o nadziejach, jakie władca pokładał w Moskwie, a zwłaszcza w słynnej szlachcie, Sonya drżącym głosem, wynikającym głównie z uwagi, z jaką jej słuchali, przeczytała ostatnie słowa: „ Nie zawahamy się stanąć wśród naszego ludu.” w tej stolicy i innych miejscach naszego stanu w celu konsultacji i wskazówek dla wszystkich naszych milicji, zarówno teraz blokujących ścieżki wrogowi, jak i ponownie zorganizowanych, aby go pokonać, gdziekolwiek się pojawi. Niech na jego głowę spadnie zagłada, w którą nas wtrąca, a wyzwolona z niewoli Europa wywyższy imię Rosji!”
- Otóż to! - zawołał hrabia, otwierając mokre oczy i kilkakrotnie powstrzymując się od pociągania nosem, jakby przykładano mu do nosa butelkę mocnego octu i soli. „Powiedz mi tylko, proszę pana, że poświęcimy wszystko i niczego nie będziemy żałować”.
Shinshin nie zdążył jeszcze opowiedzieć żartu, który przygotował z okazji patriotyzmu hrabiego, gdy Natasza zerwała się z siedzenia i podbiegła do ojca.
- Co za urok, ten tata! - powiedziała, całując go i ponownie spojrzała na Pierre'a z tą nieświadomą kokieterią, która powróciła do niej wraz z ożywieniem.
- Taki patriotyczny! - powiedział Shinshin.
„Wcale nie patriota, ale po prostu…” Natasza odpowiedziała urażona. - Wszystko cię śmieszy, ale to wcale nie jest żart...
- Co za żarty! - powtórzył licznik. - Powiedz tylko słowo, wszyscy pójdziemy... Nie jesteśmy jakimiś Niemcami...
„Czy zauważyłeś” – powiedział Pierre – „że było napisane: „na spotkanie”.
- No cóż, cokolwiek to ma na celu...
W tym czasie Petya, na którego nikt nie zwracał uwagi, podszedł do ojca i cały czerwony, łamiącym się, czasem szorstkim, czasem cienkim głosem, powiedział:
„No cóż, teraz, tatusiu, zdecydowanie powiem - i mamusiu też, co chcesz - zdecydowanie powiem, że wpuścisz mnie do służby wojskowej, bo nie mogę… to wszystko…
Hrabina z przerażeniem wzniosła oczy ku niebu, załamała ręce i ze złością zwróciła się do męża.
- Więc się zgodziłem! - powiedziała.
Ale hrabia natychmiast otrząsnął się z podniecenia.
– No cóż – powiedział. - Oto kolejny wojownik! Przestań te bzdury: musisz się uczyć.
- To nie są bzdury, tatusiu. Fedya Obolensky jest ode mnie młodsza i też przyjeżdża, a co najważniejsze, nadal nie mogę się niczego nauczyć, że ... - Petya zatrzymał się, zarumienił, aż się spocił i powiedział: - kiedy ojczyzna jest w niebezpieczeństwie.
- Kompletny, kompletny, nonsens...
- Ale sam powiedziałeś, że poświęcimy wszystko.
„Petya, mówię ci, zamknij się” – krzyknął hrabia, odwracając się do żony, która blednąc, wpatrywała się w swojego najmłodszego syna.
- I mówię ci. Tak Piotr Kirillovich powie ...
- Mówię ci - to bzdura, mleko jeszcze nie wyschło, a on chce służyć w wojsku! No, dobrze, mówię ci” i hrabia, zabierając ze sobą papiery, prawdopodobnie po to, aby je jeszcze raz przeczytać w biurze przed odpoczynkiem, wyszedł z pokoju.
- Piotr Kirillovich, cóż, chodźmy na papierosa...
Pierre był zdezorientowany i niezdecydowany. Niezwykle jasne i ożywione oczy Nataszy, nieustannie patrzące na niego bardziej niż czule, doprowadziły go do tego stanu.
- Nie, chyba wracam do domu...
- Niby w domu, ale chciałeś spędzić z nami wieczór... A potem zaczęli już rzadko przychodzić. A ta moja... – powiedział dobrodusznie hrabia, wskazując na Nataszę – jest wesoła tylko wtedy, gdy jest z tobą...
„Tak, zapomniałem… Zdecydowanie muszę iść do domu… Rzeczy…” powiedział pospiesznie Pierre.
„No cóż, do widzenia” - powiedział hrabia, całkowicie opuszczając pokój.
- Dlaczego wyjeżdżasz? Dlaczego jesteś zdenerwowany? Dlaczego?..” Natasza zapytała Pierre'a, patrząc mu wyzywająco w oczy.
Oprócz działania procesów chemicznych wpływających na właściwości powierzchni i oddziaływanie cierne pomiędzy ciałami stałymi, istnieje otwarta i badana technologia P.A. Rebinder jest podobnym smarem, ze względu na czysto molekularne oddziaływanie smaru z powierzchniami stałymi, zwane „efektem rebindera”.
Rzeczywiste ciała stałe mają zarówno powierzchniowe, jak i wewnętrzne defekty strukturalne. Z reguły takie defekty mają nadmiar darmowej energii. W wyniku fizycznej adsorpcji cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych (surfakantów) następuje obniżenie poziomu swobodnej energii powierzchniowej ciał stałych w miejscach ich lądowania. Zmniejsza to funkcję pracy dyslokacji docierających do powierzchni. Surfaktanty wnikają w pęknięcia i przestrzeń międzykrystaliczną, oddziałując mechanicznie na ich ścianki i rozpychając je, prowadzą do kruchego pękania materiału i zmniejszenia wytrzymałości stykających się ciał. A jeśli takie procesy rozwijają się tylko na występach stykających się ciał, zmniejszając odporność na ścinanie nierówności tego materiału, to na ogół proces ten prowadzi do wygładzenia powierzchni, zmniejszenia ciśnienia właściwego w strefie kontaktu i ogólnie do
zmniejszenie tarcia i zużycia ciał trących. Jeśli jednak znacznie wzrosną normalne obciążenia tarcia, wysokie ciśnienia właściwe rozłożą się na cały obszar konturu, zmiękczenie materiału nastąpi na dużej powierzchni i już prowadzi do jego bardzo szybkiego zniszczenia.
Efekt Rebindera jest szeroko stosowany zarówno przy opracowywaniu smarów (w tym celu do smaru wprowadza się specjalne środki powierzchniowo czynne), jak i w celu ułatwienia odkształcania i obróbki materiału przy produkcji części maszyn (w tym celu specjalne smary i emulsje w w postaci płynów obróbkowych).
Efekt Rebindera występuje na szerokiej gamie materiałów. Należą do nich metale, skały, szkło, elementy maszyn i urządzeń. Medium powodujące spadek wytrzymałości może być gazem lub cieczą. Często stopione metale mogą działać jako środki powierzchniowo czynne. Na przykład miedź uwolniona podczas topienia łożyska ślizgowego staje się środkiem powierzchniowo czynnym dla stali. Wnikając w pęknięcia i przestrzeń międzykrystaliczną osi wagonów, proces ten powoduje kruche niszczenie osi i powoduje wypadki w transporcie.
Nie zwracając należytej uwagi na naturę procesu, często zaczęliśmy spotykać przykłady, w których amoniak powoduje pękanie części mosiężnych, gazowe produkty spalania gwałtownie przyspieszają proces niszczenia łopatek turbin, stopiony chlorek magnezu działa destrukcyjnie na wysokowytrzymałe stale nierdzewne i szereg innych. Znajomość natury tych zjawisk otwiera możliwości specyficznego zajęcia się zagadnieniami zwiększania odporności na zużycie i niszczenia krytycznych części i zespołów maszyn i urządzeń, a przy właściwym wykorzystaniu efektu Rehbindera, zwiększania produktywności urządzeń przetwórczych i efektywności procesów produkcyjnych. za pomocą par ciernych, tj. by zaoszczędzić energię.
Dla stanu równowagi układu uwzględniono zjawisko zwilżalności. W warunkach zbiornikowych obserwuje się niestabilne procesy zachodzące na granicy faz. W wyniku wypierania oleju przez wodę powstaje ruchomy trójfazowy obwód zwilżający. Kąt zwilżania zmienia się w zależności od prędkości i kierunku ruchu cieczy (menisk cieczy, ryc. 5.5) w kanałach i pęknięciach.
Rysunek 5.5 – Schemat zmian kątów zwilżania przy zmianie kierunku ruchu menisku w kanale kapilarnym: 1 – postępujący, 2 – cofający się kąt zwilżania podczas przemieszczania się menisku wodno-olejowego w kanale cylindrycznym o powierzchni hydrofilowej ( – statyczny kąt zwilżania)
Kinetyczny histereza zwilżania zwyczajowo nazywa się zmianę kąta zwilżania podczas poruszania się po stałej powierzchni trójfazowego obwodu zwilżania. Wielkość histerezy zależy od:
od kierunku ruchu obwodu zwilżającego, tj. od tego, czy olej jest wypierany ze stałej powierzchni wody przez olej, czy olej przez wodę;
prędkość ruchu interfejsu trójfazowego na stałej powierzchni;
chropowatość twardej powierzchni;
adsorpcja na powierzchni substancji.
Zjawiska histerezy występują głównie na chropowatych powierzchniach i mają charakter molekularny. Na polerowanych powierzchniach histereza jest słabo widoczna.
5.6 Właściwości cieczy powierzchniowych
Istnieją różne założenia dotyczące struktury warstwy wierzchniej.
Wielu badaczy badających strukturę i grubość cienkich warstw cieczy przypisuje powstawanie warstw przyściennych polaryzacji cząsteczek i ich orientacji od powierzchni ciała stałego do wewnętrznych obszarów cieczy z utworzeniem warstw solwatu.
Warstwy ropy w kontakcie ze skałami formacyjnymi mają szczególnie złożoną strukturę, gdyż oddziaływanie surfaktantów z minerałami jest bardzo zróżnicowane.
Zauważono np., że odczynniki stosowane w technologii flotacji mogą być utrwalane na powierzchni minerału zarówno w postaci konwencjonalnych trójwymiarowych filmów, które tworzą niezależną fazę na powierzchni cząstek minerału, jak i w postaci związków powierzchniowych które nie mają określonego składu i nie tworzą oddzielnej, niezależnej fazy.
Wreszcie reagenty można skoncentrować w części dyfuzyjnej podwójnej warstwy elektrycznej, a nie na samej granicy faz.
Najwyraźniej składniki powierzchniowo czynne są zawsze skoncentrowane nie tylko na powierzchni, ale także w trójwymiarowej objętości w pobliżu granicy faz.
Wielu badaczy podejmowało próby pomiaru grubości warstwy różnych cieczy na ciałach stałych. Na przykład, zgodnie z wynikami pomiarów B.V. Deryagina i M.M. Kusakowa, grubość zwilżających warstw wodnych roztworów soli na różnych stałych płaskich powierzchniach wynosi około 10-5 cm (100 im). Warstwy te różnią się od reszty cieczy strukturą i właściwościami mechanicznymi - elastycznością przy ścinaniu i zwiększoną lepkością. Stwierdzono, że właściwości cieczy znajdującej się w warstwie powierzchniowej zmieniają się także pod wpływem jej ściskania. Przykładowo gęstość wody zaadsorbowanej na żelu krzemionkowym według niektórych pomiarów wynosi 1027-1285 kg/m3.
Adsorpcja i związane z nią powłoki solwatacyjne na granicy faz w złożu ropy naftowej mają również specjalne właściwości. Niektóre składniki oleju mogą tworzyć warstwy adsorpcyjne o strukturze żelowej (o nietypowych - anomalnych właściwościach) o dużej lepkości strukturalnej, a przy dużych stopniach nasycenia warstwy adsorpcyjnej - o elastyczności i wytrzymałości mechanicznej na ścinanie.
Z badań wynika, że w skład warstw powierzchniowych na granicy faz olej-woda wchodzą kwasy naftenowe, żywice niskocząsteczkowe, cząstki koloidalne żywic wysokocząsteczkowych i asfaltenów, mikrokryształy parafin, a także cząstki zawiesin mineralnych i węglowych. Przyjmuje się, że warstwa powierzchniowa na granicy faz olej-woda powstaje w wyniku akumulacji cząstek minerałów, węgla i mikrokryształów parafiny pod wpływem selektywnego zwilżania hydrofilowych obszarów ich powierzchni fazą wodną. Substancje asfaltowo-żywiczne zaadsorbowane na tej samej powierzchni styku, przechodząc w stan żelowy, cementują cząsteczki parafiny i minerałów w pojedynczą monolityczną warstwę. Warstwa wierzchnia pogrubia się jeszcze bardziej na skutek solwatyzacji żeli substancji asfaltowo-żywicznych z fazy olejowej.
Specjalne właściwości strukturalne i mechaniczne warstw wierzchnich decydują o stabilizacji różnych układów, a w szczególności o wysokiej stabilności niektórych emulsji wodno-olejowych.
Istnienie warstw adsorpcyjnych na granicy faz woda-olej resztkowy najwyraźniej również w pewnym stopniu opóźnia procesy mieszania wody wtryskiwanej do złoża z wodą resztkową.
5.7 Efekt klinujący cienkich warstw cieczy.
Eksperymenty Deriagina. Efekt ponownego wiązania
Ciecz zwilżająca ciało stałe, wnikając w cienkie pęknięcia, może pełnić rolę klina i rozpychać jego ścianki, tj. cienkie warstwy cieczy działają klinowo 2. Ta właściwość cienkich warstw objawia się także wtedy, gdy powierzchnie stałe zanurzone w cieczy zbliżają się do siebie. Według badań B.V. Deryagina efekt klinowania występuje pod warunkiem zachowania grubości warstwy H płyn rozpychający powierzchnię pęknięcia jest mniejszy od pewnej wartości H kr. Na H > H kr efekt klinowania wynosi zero i wynosi H < H kr wzrasta wraz ze zmniejszaniem się grubości warstwy cieczy, czyli od chwili H ≤ H kr Aby zbliżyć do siebie powierzchnie cząstek, należy przyłożyć do nich obciążenie zewnętrzne.
Czynnikami tworzącymi efekt klinowania są siły pochodzenia jonowo-elektrostatycznego oraz szczególny stan skupienia cieczy polarnych w pobliżu powierzchni granicznych.
Wspomniano już wcześniej, że właściwości warstwy solwatacyjnej na powierzchni ciała stałego różnią się znacznie od właściwości reszty cieczy. Tę warstwę (solwatu) można uznać za specjalną fazę graniczną. Dlatego też, gdy cząstki zbliżają się na odległości mniejsze niż dwukrotność grubości warstw solwatacyjnych, na cząstki należy przyłożyć obciążenie zewnętrzne.
Ciśnienie rozłączające pochodzenia jonowo-elektrostatycznego powstaje w wyniku zmian stężenia jonów w warstwie oddzielającej cząstki i w otaczającym je roztworze.
Z wyników eksperymentu wynika, że im silniejsze wiązanie cieczy z powierzchniami ciała stałego, tym większy jest efekt klinowania. Można to wzmocnić wprowadzając do cieczy środki powierzchniowo czynne, które są dobrze adsorbowane przez powierzchnię ciała stałego. Na tym zjawisku opiera się efekt Rebindera. Jego istota polega na tym, że niewielkie ilości środków powierzchniowo czynnych powodują gwałtowne pogorszenie właściwości mechanicznych ciała stałego. Spadek wytrzymałości adsorpcyjnej ciał stałych zależy od wielu czynników. Zwiększa się, jeśli na ciało działają siły rozciągające i jeśli ciecz dobrze zwilża powierzchnię.
Efekt zmniejszenia wytrzymałości adsorpcyjnej wykorzystuje się przy wierceniu studni. Zastosowanie jako płuczek wiertniczych roztworów zawierających specjalnie dobrane środki powierzchniowo czynne powoduje zauważalne ułatwienie wiercenia w skałach twardych.
Piotr Aleksandrowicz REBINDER (03.X.1898-12.VII.1972), radziecki chemik fizyczny, akademik Akademii Nauk ZSRR od 1946 r. (członek korespondent od 1933 r.), urodził się w Petersburgu. Absolwent Wydziału Fizyki i Matematyki Uniwersytetu Moskiewskiego (1924). W latach 1922-1932. pracował w Instytucie Fizyki i Biofizyki Akademii Nauk ZSRR i jednocześnie (w latach 1923-1941) - w Moskiewskim Państwowym Instytucie Pedagogicznym. K. Liebknechta (od 1923 – profesor), od 1935 – kierownik katedry układów dyspersyjnych w Instytucie Koloidalno-Elektrochemicznym (od 1945 – Instytut Chemii Fizycznej) Akademii Nauk ZSRR, od 1942 – kierownik katedry chemii koloidów na uniwersytecie w Moskwie.
Prace Rehbindera poświęcone są chemii fizycznej układów rozproszonych i zjawiskom powierzchniowym. W 1928 roku naukowiec odkrył zjawisko spadku wytrzymałości ciał stałych na skutek odwracalnego fizykochemicznego oddziaływania na nie środowiska (efekt Rehbindera) oraz w latach 30.-40. XX wieku. opracowano sposoby ułatwiające obróbkę bardzo twardych i trudnych do skrawania materiałów.
Odkrył efekt elektrokapilarny plastyfikacji monokryształów metali podczas procesu pełzania podczas polaryzacji ich powierzchni w roztworach elektrolitów, badał cechy wodnych roztworów środków powierzchniowo czynnych, zidentyfikował wpływ warstw adsorpcyjnych na właściwości układów dyspersyjnych (1935). -1940) główne zasady powstawania i stabilizacji pianek i emulsji oraz proces odwracania faz w emulsjach.
Naukowiec odkrył, że na działanie czyszczące składa się złożony zestaw koloidalnych procesów chemicznych. Rebinder badał procesy powstawania i strukturę miceli środków powierzchniowo czynnych, opracował koncepcje termodynamicznej stabilnej miceli mydeł z liofobowym rdzeniem wewnętrznym w środowisku liofilowym. Naukowiec wybrał i uzasadnił optymalne parametry charakteryzujące właściwości reologiczne układów dyspersyjnych oraz zaproponował metody ich wyznaczania.
W 1956 roku naukowiec odkrył zjawisko adsorpcyjnego spadku wytrzymałości metali pod wpływem stopionych metali. W latach pięćdziesiątych Naukowcy stworzyli nową dziedzinę nauki - mechanikę fizyczną i chemiczną. Jak pisał sam Rehbinder: „Ostatecznym zadaniem mechaniki fizycznej i chemicznej jest opracowanie naukowych podstaw otrzymywania ciał stałych i układów o zadanej strukturze i właściwościach mechanicznych. Dlatego zadaniem tego obszaru jest stworzenie optymalnie ukierunkowanej technologii wytwarzania i obróbki praktycznie wszystkich materiałów budowlanych i konstrukcyjnych współczesnej technologii - betonu, metali i stopów, zwłaszcza żaroodpornych, ceramiki i cermetali, gumy, tworzyw sztucznych, smary.
Od 1958 r. Rebinder jest przewodniczącym Rady Naukowej Akademii Nauk ZSRR ds. problemów mechaniki fizycznej i chemicznej oraz chemii koloidalnej, a następnie (od 1967 r.) przewodniczącym Komitetu Narodowego ZSRR w ramach Międzynarodowego Komitetu ds. Środków Powierzchniowo Czynnych. Od 1968 do 1972 był redaktorem naczelnym „Colloid Journal”. Naukowiec został odznaczony dwoma Orderami Lenina, miał tytuł Bohatera Pracy Socjalistycznej (1968), laureat Nagrody Państwowej ZSRR (1942).
Efekt Rehbindera, efekt adsorpcji zmniejszający wytrzymałość ciał stałych, ułatwiający odkształcanie i niszczenie ciał stałych pod wpływem odwracalnego fizykochemicznego wpływu środowiska. Odkryty przez P. A. Rebindera (1928) podczas badania właściwości mechanicznych kryształów kalcytu i soli kamiennej. Możliwe, gdy ciało stałe w stanie naprężonym wchodzi w kontakt z ciekłym (lub gazowym) ośrodkiem aktywnym adsorpcyjnie. Efekt Rebindera jest bardzo uniwersalny - obserwuje się go w metalach stałych, jonowych, kowalencyjnych i molekularnych mono- i polikrystalicznych ciałach stałych, szkłach i polimerach, częściowo skrystalizowanych i amorficznych, porowatych i stałych. Głównym warunkiem wystąpienia efektu Rehbindera jest powiązany charakter stykających się faz (ciało stałe i ośrodek) pod względem składu chemicznego i struktury. Forma i stopień manifestacji efektu zależą od intensywności oddziaływań międzyatomowych (międzycząsteczkowych) stykających się faz, wielkości i rodzaju naprężenia (wymagane jest naprężenie rozciągające), szybkości odkształcania i temperatury. Istotną rolę odgrywa faktyczna budowa ciała - obecność przemieszczeń, pęknięć, wtrąceń obcych itp. Charakterystyczną formą manifestacji efektu Rehbindera jest powtarzający się spadek wytrzymałości, wzrost kruchości ciała stałego i zmniejszenie jego trwałości. W ten sposób płyta cynkowa nasączona rtęcią nie ugina się pod obciążeniem, ale pęka krucho. Inną formą manifestacji jest uplastyczniające działanie ośrodka na materiały stałe, np. wodę na gips, organiczne środki powierzchniowo czynne na metale itp. Termodynamiczny efekt Rebindera jest spowodowany zmniejszeniem pracy tworzenia nowej powierzchni podczas odkształcania, gdy powstaje w wyniku zmniejszenia się swobodnej energii powierzchniowej ciała stałego pod wpływem środowiska. Molekularny charakter efektu polega na ułatwieniu zerwania i przegrupowania wiązań międzycząsteczkowych (międzyatomowych, jonowych) w ciele stałym w obecności aktywnych adsorpcyjnie, a jednocześnie wystarczająco mobilnych obcych cząsteczek (atomów, jonów).
Do najważniejszych obszarów zastosowań technicznych zalicza się ułatwianie i doskonalenie obróbki mechanicznej różnych (zwłaszcza bardzo twardych i trudnych w obróbce) materiałów, regulowanie procesów tarcia i zużycia za pomocą środków smarnych, efektywne uzyskiwanie materiałów rozdrobnionych (proszkowych), otrzymywanie ciał stałych i materiałów o zadanym rozproszona struktura i wymagane połączenie właściwości mechanicznych i innych poprzez dezagregację, a następnie zagęszczenie bez naprężeń wewnętrznych. Środowisko aktywne adsorpcyjnie może również powodować znaczne szkody, na przykład zmniejszając wytrzymałość i trwałość części maszyn i materiałów w warunkach pracy. Wyeliminowanie czynników przyczyniających się do pojawienia się efektu Rebindera w tych przypadkach umożliwia ochronę materiałów przed niepożądanymi wpływami środowiska.
Nawet najsilniejsze ciała mają ogromną liczbę defektów, które osłabiają ich odporność na obciążenia i czynią je mniej wytrzymałymi w porównaniu do tego, co przewiduje teoria. Podczas mechanicznego niszczenia ciała stałego proces rozpoczyna się od miejsca, w którym zlokalizowane są mikrodefekty. Wzrost obciążenia prowadzi do rozwoju mikropęknięć w miejscu uszkodzenia. Jednak usunięcie obciążenia prowadzi do przywrócenia pierwotnej struktury: szerokość mikropęknięcia jest często niewystarczająca, aby całkowicie pokonać siły oddziaływania międzycząsteczkowego (międzyatomowego). Zmniejszenie obciążenia prowadzi do „skurczenia się” mikropęknięcia, siły oddziaływania międzycząsteczkowego zostają niemal całkowicie przywrócone, pęknięcie znika. Rzecz w tym, że powstanie pęknięcia jest powstaniem nowej powierzchni ciała stałego, a proces taki wymaga wydatku energii równej energii napięcia powierzchniowego pomnożonej przez pole tej powierzchni. Zmniejszenie obciążenia prowadzi do „zaostrzenia” pęknięć, ponieważ system ma tendencję do zmniejszania zmagazynowanej w nim energii. Dlatego, aby skutecznie zniszczyć ciało stałe, konieczne jest pokrycie powstałej powierzchni specjalną substancją zwaną środkiem powierzchniowo czynnym, co zmniejszy pracę pokonywania sił molekularnych w tworzeniu nowej powierzchni. Surfaktanty wnikają w mikropęknięcia, pokrywają ich powierzchnię warstwą o grubości zaledwie jednej cząsteczki (co determinuje możliwość stosowania bardzo małych ilości dodatków tych substancji), zapobiegając procesowi „zapadania się”, uniemożliwiając wznowienie interakcji molekularnych.
Środki powierzchniowo czynne w pewnych warunkach ułatwiają mielenie ciał stałych. Bardzo drobne (aż do wielkości cząstek koloidalnych) rozdrobnienie substancji stałych jest na ogół niemożliwe do osiągnięcia bez dodatku środków powierzchniowo czynnych.
Teraz należy pamiętać, że niszczenie ciała stałego (czyli powstawanie nowych mikropęknięć) zaczyna się właśnie od miejsca, w którym znajduje się defekt w strukturze tego ciała. Ponadto dodany środek powierzchniowo czynny jest również adsorbowany głównie w miejscach uszkodzeń - ułatwiając w ten sposób jego adsorpcję na ściankach przyszłych mikropęknięć. Przytoczmy słowa akademika Rebindera: „Oddzielenie części następuje właśnie w tych słabych punktach [lokalizacja defektów], w związku z czym powstałe podczas szlifowania drobne cząstki ciała nie zawierają już tych najniebezpieczniejszych defektów. Mówiąc ściślej, prawdopodobieństwo napotkania niebezpiecznego słabego punktu jest tym mniejsze, im mniejszy jest jego rozmiar.
Jeśli szlifując prawdziwe ciało stałe dowolnego rodzaju, dotrzemy do cząstek, których wymiary są w przybliżeniu takie same, jak odległości między najgroźniejszymi defektami, to cząstki takie prawie na pewno nie będą zawierały niebezpiecznych defektów strukturalnych, staną się znacznie silniejsze niż duże próbki tego samego ciała. W rezultacie wystarczy pokruszyć substancję stałą na wystarczająco małe kawałki, a te kawałki o tym samym charakterze, tym samym składzie będą najtrwalsze, niemal idealnie mocne.
Następnie te jednorodne, pozbawione defektów cząstki należy połączyć, wykonać z nich solidną (o dużej wytrzymałości) bryłę o wymaganej wielkości i kształcie, zmusić cząstki do ścisłego upakowania i bardzo mocnego złączenia się ze sobą. Powstała maszyna lub część budynku musi być znacznie mocniejsza niż oryginalny materiał przed szlifowaniem. Naturalnie nie jest tak mocny jak osobna cząstka, ponieważ w punktach stopienia pojawią się nowe defekty. Jeśli jednak proces łączenia cząstek zostanie przeprowadzony umiejętnie, wytrzymałość pierwotnego materiału zostanie przekroczona. Wymaga to szczególnie ciasnego upakowania małych cząstek, aby ponownie pojawiły się między nimi siły oddziaływania międzycząsteczkowego. Zwykle odbywa się to poprzez prasowanie cząstek przez prasowanie i ogrzewanie. Otrzymane w wyniku prasowania drobnoziarniste kruszywo podgrzewa się bez doprowadzenia do stopienia. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań termicznych cząsteczek (atomów) w sieci krystalicznej. W punktach styku oscylujące cząsteczki dwóch sąsiednich cząstek zbliżają się, a nawet mieszają. Zwiększają się siły spójności, cząsteczki są ściągane razem, nie pozostawiając prawie żadnych pustych przestrzeni i porów, znikają defekty punktów styku.
W niektórych przypadkach cząstki można skleić lub zlutować ze sobą. W takim przypadku proces należy przeprowadzić w taki sposób, aby warstwy kleju lub lutu nie zawierały wad.
Zasadnicze usprawnienie procesu mielenia ciał stałych, polegające na praktycznym zastosowaniu efektu Rehbindera, okazało się bardzo przydatne w wielu gałęziach przemysłu. Procesy technologicznego szlifowania uległy znacznemu przyspieszeniu, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu zużycia energii. Drobne mielenie umożliwiło prowadzenie wielu procesów technologicznych w niższych temperaturach i ciśnieniach. W rezultacie uzyskano materiały wyższej jakości: beton, wyroby ceramiczne i metalowo-ceramiczne, barwniki, masy ołówkowe, pigmenty, wypełniacze i wiele innych. Ułatwiona jest obróbka mechaniczna stali ogniotrwałych i żaroodpornych.
Sam tak opisuje metodę stosowania efektu Rehbindera: „Elementy budowlane wykonane z betonu cementowego można niezawodnie połączyć w konstrukcję monolityczną poprzez sklejenie cementowym klejem wibrokoloidowym... Takim klejem jest mieszanina drobno zmielonego cementu (część który można zastąpić drobno zmielonym piaskiem) z wyjątkowo małą ilością wody i dodatkiem środka powierzchniowo czynnego. Mieszanka upłynnia się poprzez ekstremalne wibracje podczas nakładania na łączone powierzchnie w postaci cienkiej warstwy. Po szybkim stwardnieniu warstwa kleju staje się najmocniejszym punktem konstrukcji.”
Wykorzystanie pomysłów akademika Rehbindera dotyczących usprawnienia procesu mielenia brył ma ogromne znaczenie praktyczne, np. przy opracowaniu metody zmniejszania wytrzymałości minerałów w celu zwiększenia wydajności wiercenia w skałach twardych.
Zmniejszenie wytrzymałości metali pod wpływem stopionych metali. W 1956 roku Rehbinder odkrył zjawisko spadku wytrzymałości metali pod wpływem stopionych metali. Wykazano, że największy spadek energii powierzchniowej ciała stałego (metalu) do niemal zera może być spowodowany przez roztopione ośrodki, które mają charakter molekularny zbliżony do ciała stałego. W ten sposób wytrzymałość na rozciąganie monokryształów cynku zmniejszono dziesiątki razy poprzez nałożenie na ich powierzchnię warstwy ciekłej cyny o grubości 1 mikrona lub mniejszej. Podobne efekty obserwuje się w przypadku stopów ogniotrwałych i żaroodpornych pod wpływem ciekłych metali niskotopliwych.
Odkryte zjawisko okazało się bardzo istotne dla udoskonalenia metod obróbki plastycznej metali. Proces ten nie jest możliwy bez użycia smaru. W przypadku materiałów nowej technologii - stopów ogniotrwałych i żaroodpornych - obróbkę szczególnie znacznie ułatwia zastosowanie aktywnych smarów, które zmiękczają cienkie warstwy powierzchniowe metalu (co w rzeczywistości zachodzi pod wpływem małych ilości stopionego metalu). W tym przypadku metal zdaje się sam się smarować – eliminuje się szkodliwe nadmierne odkształcenie powstające podczas obróbki, które powoduje tzw. hartowanie – wzrost wytrzymałości zakłócający obróbkę. Otwierają się nowe możliwości obróbki metali pod ciśnieniem w normalnych i podwyższonych temperaturach: wzrasta jakość produktów, zmniejsza się zużycie narzędzia obróbczego i zużycie energii do obróbki.
Zamiast zamieniać drogi metal na wióry w procesie wytwarzania produktu poprzez cięcie, można zastosować plastyczną zmianę kształtu: obróbkę ciśnieniową bez utraty metalu. Jednocześnie wzrasta również jakość produktów.
Gwałtowny spadek wytrzymałości powierzchniowej warstwy metali odgrywa znaczącą rolę w poprawie wydajności zespołów ciernych. Powstaje automatycznie działający mechanizm kontroli zużycia: w przypadku wystąpienia przypadkowych nierówności na powierzchniach trących (zadziorów, zarysowań itp.) w miejscach ich przemieszczenia powstaje wysokie ciśnienie lokalne, powodując powierzchniowe spływ metali, znacznie ułatwione pod wpływem zaadsorbowanego topi się (stopiony, zwilżony metal warstwy powierzchniowej traci wytrzymałość). Powierzchnie trące można łatwo szlifować lub polerować. Wprowadzone „smarowanie” powoduje przyspieszone „zużycie” nierówności i zwiększa się prędkość docierania (docierania) maszyn.
Stopy zanieczyszczeń aktywnych można stosować jako modyfikatory procesu krystalizacji. Zaadsorbowane na kryształach zaszczepiających uwolnionego metalu, zmniejszają tempo ich wzrostu. W ten sposób powstaje drobnoziarnista struktura metalowa o większej wytrzymałości.
Opracowano proces „trenowania” metalu w ośrodku powierzchniowo czynnym. Metal poddawany jest okresowym uderzeniom powierzchniowym, które nie prowadzą do zniszczenia. Dzięki złagodzeniu odkształceń plastycznych w warstwach powierzchniowych metal w objętości wewnętrznej wydaje się „ugniatać”, a sieć krystaliczna ziaren jest rozproszona. Jeżeli taki proces prowadzi się w temperaturze zbliżonej do temperatury, w której metal zaczyna się rekrystalizować, w ośrodku powierzchniowo czynnym tworzy się drobnokrystaliczna struktura o znacznie większej twardości. Natomiast mielenia metali w celu uzyskania drobnego proszku nie można przeprowadzić bez użycia stopów powierzchniowo czynnych. Następnie z tego proszku powstają wyroby poprzez prasowanie na gorąco (w pełnej zgodności z opisanym powyżej procesem utwardzania materiałów z proszków).
EFEKT REBINDERU W POLIMERACH. Wybitny radziecki chemik fizyczny, akademik Piotr Aleksandrowicz Rebinder jako pierwszy próbował wpłynąć na działanie niszczenia ciała stałego. To Rebinderowi udało się zrozumieć, jak można tego dokonać. Już w latach 20-tych ubiegłego wieku stosował w tym celu tzw. substancje powierzchniowo czynne, czyli adsorpcyjnie czynne, które są w stanie skutecznie adsorbować na powierzchni już przy niewielkich stężeniach w środowisku i gwałtownie zmniejszać powierzchnię napięcie ciał stałych. Cząsteczki tych substancji atakują wiązania międzycząsteczkowe na wierzchołku rosnącego pęknięcia pęknięcia i zaadsorbowane na nowo powstałych powierzchniach osłabiają je. Wybierając specjalne ciecze i wprowadzając je na powierzchnię zniszczalnego ciała stałego, Rebinder osiągnął uderzające zmniejszenie pracy pęknięcia pod wpływem rozciągania (rys. 1). Rysunek przedstawia krzywe naprężenia i odkształcenia monokryształu cynku (płytki o grubości około milimetra) przy braku i w obecności ciekłego środka powierzchniowo czynnego. Moment zniszczenia w obu przypadkach zaznaczono strzałkami. Wyraźnie widać, że jeśli po prostu rozciągniesz próbkę, pęknie ona przy wydłużeniu większym niż 600%. Jeśli jednak tę samą procedurę wykona się poprzez nałożenie na jej powierzchnię płynnej cyny, zniszczenie nastąpi już przy wydłużeniu ~10%. Ponieważ dziełem zniszczenia jest obszar pod krzywą naprężenia-odkształcenia, łatwo zauważyć, że obecność cieczy zmniejsza pracę nawet nie razy, ale o rzędy wielkości. To właśnie ten efekt nazwano efektem Rehbindera, czyli adsorpcyjnym spadkiem wytrzymałości ciał stałych.
Ryc.1. Zależność naprężenia od odkształcenia monokryształów cynku w temperaturze 400°C: 1 - w powietrzu; 2 - w stopionej cynie
Efekt Rehbindera jest zjawiskiem uniwersalnym, obserwuje się go podczas niszczenia wszelkich ciał stałych, w tym polimerów. Jednak natura przedmiotu wprowadza do procesu niszczenia swoje własne cechy, a polimery nie są pod tym względem wyjątkiem. Folie polimerowe składają się z dużych, całych cząsteczek utrzymywanych razem przez siły van der Waalsa, czyli wiązania wodorowe, które są zauważalnie słabsze niż wiązania kowalencyjne w samych cząsteczkach. Dlatego cząsteczka, nawet będąc członkiem kolektywu, zachowuje pewną izolację i indywidualne cechy. Główną cechą polimerów jest struktura łańcuchowa ich makrocząsteczek, która zapewnia ich elastyczność. Elastyczność cząsteczek, tj. ich zdolność do zmiany kształtu (w wyniku deformacji kątów wiązania i rotacji ogniw) pod wpływem zewnętrznych naprężeń mechanicznych i szeregu innych czynników leży u podstaw wszystkich charakterystycznych właściwości polimerów. Przede wszystkim zdolność makrocząsteczek do wzajemnego orientowania się. Należy jednak zaznaczyć, że to drugie dotyczy wyłącznie polimerów liniowych. Istnieje ogromna liczba substancji o wysokiej masie cząsteczkowej (na przykład białka i inne obiekty biologiczne), ale nie mają specyficznych właściwości polimerów, ponieważ silne oddziaływania wewnątrzcząsteczkowe zapobiegają zginaniu się ich makrocząsteczek. Co więcej, typowy przedstawiciel polimerów – kauczuk naturalny – „usieciowany” za pomocą specjalnych substancji (proces wulkanizacji), może przekształcić się w substancję stałą – ebonit, który w ogóle nie wykazuje żadnych oznak właściwości polimerowych.
W polimerach efekt Rehbindera objawia się w bardzo wyjątkowy sposób. W cieczy aktywnej adsorpcyjnie pojawienie się i rozwój nowej powierzchni obserwuje się nie tylko podczas niszczenia, ale znacznie wcześniej - nawet podczas procesu deformacji polimeru, któremu towarzyszy orientacja makrocząsteczek.
Ryc.2. Wygląd próbek politereftalanu etylenu rozciąganych w powietrzu (a) i w ośrodku aktywnym adsorpcyjnie (n-propanol) (b).
Respoiwo polimerowe o wytrzymałości metalicznej
Rycina 2 przedstawia obrazy dwóch próbek lawsanu, z których jedną rozciągano w powietrzu, a drugą w cieczy aktywnej adsorpcyjnie. Wyraźnie widać, że w pierwszym przypadku w próbce pojawia się szyja. W drugim przypadku folia nie zwęża się, ale staje się mlecznobiała i nieprzezroczysta. Przyczyny zaobserwowanego wybielenia stają się jasne po badaniu mikroskopowym.
Ryc.3. Zdjęcie z mikroskopu elektronowego próbki politereftalanu etylenu odkształconej w n-propanolu. (Powiększ 1000)
Zamiast monolitycznej przezroczystej szyjki, w polimerze tworzy się unikalna włóknisto-porowata struktura, składająca się z nitkowatych agregatów makrocząsteczek (włókien) oddzielonych mikropustkami (porami). W tym przypadku wzajemną orientację makrocząsteczek osiąga się nie w monolitycznej szyi, ale wewnątrz włókienek. Ponieważ włókienka są rozdzielone przestrzennie, taka struktura zawiera ogromną liczbę mikropustek, które intensywnie rozpraszają światło i nadają polimerowi mlecznobiałą barwę. Pory wypełnione są cieczą, dzięki czemu niejednorodna struktura zostaje zachowana nawet po usunięciu naprężeń odkształcających. Struktura włóknisto-porowata pojawia się w specjalnych strefach i w miarę odkształcania polimeru przyjmuje coraz większą objętość. Analiza obrazów mikroskopowych pozwoliła na ustalenie cech przegrupowań strukturalnych w polimerze poddanym pękaniu (rys. 4).
Ryc.4. Schematyczne przedstawienie poszczególnych etapów pękania polimeru: I – inicjacja pęknięć, II – rozwój pęknięć, III – poszerzanie się pęknięć.
Pęknięcia powstające na skutek jakiejkolwiek wady (niejednorodności struktury), która występuje powszechnie na powierzchni dowolnej bryły rzeczywistej, rysy narastają w całym przekroju poprzecznym rozciągniętego polimeru w kierunku normalnym do osi naprężenia rozciągającego, utrzymując stałą i bardzo małą ( ~1 μm) szerokość. W tym sensie są one podobne do prawdziwych pęknięć. Kiedy jednak pęknięcie „przecina” cały przekrój polimeru, próbka nie rozpada się na osobne części, ale pozostaje jedną całością. Wynika to z faktu, że przeciwległe krawędzie takiego swoistego pęknięcia są połączone najcieńszymi nitkami zorientowanego polimeru (ryc. 3). Wymiary (średnice) formacji włóknistych, a także oddzielających je mikropustek wynoszą 1–10 nm.
Kiedy włókienka łączące przeciwległe ściany pęknięć staną się wystarczająco długie, rozpoczyna się proces ich fuzji (w tym przypadku zmniejsza się ich powierzchnia, ryc. 5). Inaczej mówiąc, polimer ulega swoistej przemianie strukturalnej od struktury luźnej do struktury bardziej zwartej, składającej się z gęsto upakowanych agregatów włókienek, które są zorientowane w kierunku osi rozciągania.
Ryc.5. Schemat ilustrujący załamanie struktury polimeru, które następuje przy dużych wartościach odkształcenia w cieczy aktywnej adsorpcyjnie, na różnych etapach rozciągania
Istnieje metoda oddzielania cząsteczek poprzez adsorpcję z roztworu tych, które są w stanie przeniknąć do porów o danej wielkości (efekt sita molekularnego). Ponieważ wielkość porów można łatwo regulować poprzez zmianę stopnia wydłużenia polimeru w ośrodku aktywnym adsorpcyjnie (wykorzystując efekt Rebindera), łatwo jest osiągnąć selektywną adsorpcję. Należy pamiętać, że adsorbenty stosowane w praktyce to zazwyczaj rodzaj proszku lub granulatu, do którego napełnia się różnego rodzaju pojemniki (np. sorbent w tej samej masce gazowej). Wykorzystując efekt Rehbindera łatwo jest uzyskać folię lub włókno o porowatości na poziomie nanometrycznym. Inaczej mówiąc, otwiera się przed nami perspektywa stworzenia materiału konstrukcyjnego, który posiada optymalne właściwości mechaniczne, a jednocześnie jest skutecznym sorbentem.
Wykorzystując w elementarny sposób efekt Rehbindera (po prostu rozciągając folię polimerową w ośrodku aktywnym adsorpcyjnie), można wytworzyć porowate folie polimerowe na bazie niemal dowolnych polimerów syntetycznych. Wielkość porów w takich foliach można łatwo regulować poprzez zmianę stopnia odkształcenia polimeru, co umożliwia wytwarzanie membran separacyjnych rozwiązujących szeroką gamę problemów praktycznych.
Efekt Rehbindera w polimerach ma ogromny potencjał aplikacyjny. Po pierwsze, po prostu ekstrahując polimer w cieczy aktywnej adsorpcyjnie, można otrzymać różnorodne sorbenty polimerowe, membrany separacyjne i produkty polimerowe z reliefem poprzecznym, a po drugie, efekt Rehbindera daje chemikowi procesowemu uniwersalną, ciągłą Metoda wprowadzania dodatków modyfikujących do polimerów.
Lista użytych materiałów
- 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. Wielka encyklopedia radziecka. M.: Encyklopedia radziecka, 1975, t. 21.
- 5. http://him.1september.ru/2003/32/3.htm
- 6. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00065/40400.htm
- 7. http://www.nanometr.ru/2009/09/07/rfbr_156711/PROP_FILE_files_1/rffi4.pdf
- 8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Rebinder_Effect
Ta powieść to „zbiór pstrokatych rozdziałów”, gdzie każdy rozdział nazywany jest wersem Puszkina i stanowi niezależną opowieść o jednym z bohaterów. A w powieści jest wielu bohaterów - utalentowany muzyk okresu powojennego, „drogi kobieciarz” i niczym nie wyróżniająca się wzorowa uczennica połowy lat 50., w której duszy płoną niewidzialne dla świata namiętności - zazdrość, zazdrość, zakazana miłość; facet z sierocińca, fizyk atomowy, syn represjonowanego komisarza i wiejskiego „palacza”, świadek Gułagu i wielu, wielu innych. Prywatne historie wyrastają na obraz rosyjskiej historii XX wieku, jednak powieść nie jest płótnem historycznym, ale wieloaspektową sagą rodzinną, a im dalej rozwija się opowieść, tym bardziej losy bohaterów splatają się wokół tajemniczego Katenina rodzina, potomkowie „tego właśnie Katenina”, przyjaciela Puszkina. Powieść jest pełna tajemnic i tajemnic, namiętności i żalów, miłości i gorzkich strat. I coraz częściej pojawia się analogia z wąsko naukową koncepcją „efektu rebindera” – jak kropla cyny rozbija elastyczną stalową płytkę, tak nieistotne na pierwszy rzut oka wydarzenie całkowicie zmienia i łamie konkretne życie ludzkie.
„Powieści elegancko nawleczone jak koraliki na sznurek: każda z nich to osobna historia, lecz nagle jedna fabuła przechodzi w drugą, a losy bohaterów splatają się w najbardziej nieoczekiwany sposób, nić się nie zrywa. Cała narracja jest głęboko melodyjna, przesiąknięta muzyką – i miłością. Niektórzy ludzie psują się miłością przez całe życie, inni boleśnie o nią walczą. Koledzy i kochankowie, rodzice i dzieci, silna i niezniszczalna jedność ludzi, oparta nie na pokrewieństwie, ale na miłości i ludzkiej dobroci - a wątek fabuły, na który dodano jeszcze kilka koralików, jest nadal mocny.. Tak stosunki międzyludzkie wytrzymują próbę czasu stalinowskiego, „odwilży” i hipokryzji „rozwiniętego socjalizmu” ze swoim szczytem – katastrofą w Czarnobylu. Nitka nie pęka, co jest wręcz sprzeczne z prawem Rehbindera.”
Elena Katishonok, laureatka Nagrody Jasnej Polany i finalistka rosyjskiego Bookera
Na naszej stronie możesz bezpłatnie i bez rejestracji pobrać książkę „Efekt Rebindera” Eleny Minkina-Teicher w formacie fb2, rtf, epub, pdf, txt, przeczytać książkę online lub kupić książkę w sklepie internetowym.
