Він є адсорбційне зниження міцності - зміна механічних властивостей твердих тіл внаслідок фізико-хімічних процесів, що викликають зменшення поверхневої (міжфазної) енергії тіла. У випадку твердого кристалічного тіла, крім зменшення поверхневої енергії, для прояву ефекту Ребіндера важливо також, щоб кристал мав дефекти в структурі, необхідні для зародження тріщин, які потім під впливом середовища поширюються. У полікристалічних тіл такими дефектами є межі зерен:350. Виявляється у зниженні міцності та виникненні крихкості, зменшенні довговічності, полегшенні диспергування. Для прояву ефекту Ребіндер необхідні такі умови:
- Контактування твердого тіла з рідким середовищем
- Наявність напруг, що розтягують
Основними характерними рисами, що відрізняють ефект Ребіндер від інших явищ, наприклад, корозії і розчинення, є наступні :337:
- швидка поява - негайно після контакту тіла із середовищем
- достатність мізерного обсягу речовини, що діє на тверде тіло, але тільки з супутнім механічним впливом
- повернення тіла до початкових характеристик після видалення середовища
Приклади ефекту Ребіндера
Напишіть відгук про статтю "Ефект Ребіндера"
Примітки
Література
- Гецов Г.Г.Крапля довбає камінь // Хімія і життя. - 1972. - №3. - С. 14-16.
- С.В Грачов, В. Р. Бараз, А. А. Богатов, В. П. Швейкін. «Фізичне матеріалознавство»
Посилання
- на YouTube
Уривок, що характеризує Ефект Ребіндера
– «Першопрестольної столиці нашої Москви.Ворог увійшов з великими силами у межі Росії. Він іде розоряти люб'язну нашу батьківщину», – старанно читала Соня своїм тоненьким голоском. Граф, заплющивши очі, слухав, рвучко зітхаючи в деяких місцях.
Наталка сиділа витягнувшись, допитливо і прямо дивлячись то на батька, то на П'єра.
П'єр відчував на собі її погляд і намагався не озиратися. Графіня несхвально і сердито хитала головою проти кожного урочистого вираження маніфесту. Вона у всіх цих словах бачила лише те, що небезпеки, що загрожують її синові, ще не скоро припиняться. Шиншин, склавши рот у глузливу усмішку, явно приготувався глузувати з того, що перше представиться для глузування: над читанням Соні, з того, що скаже граф, навіть над самим зверненням, якщо не представиться краще приводу.
Прочитавши про небезпеки, що загрожують Росії, про надії, що покладаються государем на Москву, і особливо на знамените дворянство, Соня з тремтінням голосу, що відбувався переважно від уваги, з яким її слухали, прочитала останні слова: «Ми не вгамуємося самі стати серед народу свого у цій столиці та в інших державах наших місцях для наради та керування всіма нашими ополченнями, як нині перегороджують шляхи ворогові, так і знову влаштованими на поразку того, скрізь, де тільки з'явиться. Хай звернеться смерть, в яку він вважає кинути нас, на главу його, і звільнена від рабства Європа нехай звеличить ім'я Росії! »
– Оце так! - скрикнув граф, розплющуючи мокрі очі і кілька разів перериваючись від сопіння, ніби до носа йому підносили склянку з міцною оцтовою сіллю. - Тільки скажи государю, ми всім пожертвуємо і нічого не пошкодуємо.
Шиншин ще не встиг сказати приготовлений їм жарт на патріотизм графа, як Наталка схопилася зі свого місця і підбігла до батька.
- Що за краса, цей тату! - промовила вона, цілуючи його, і вона знову глянула на П'єра з тим несвідомим кокетством, яке повернулося до неї разом із її пожвавленням.
– Отак патріотка! – сказав Шиншин.
– Зовсім не патріотка, а просто… – ображено відповіла Наталя. - Вам все смішно, а це зовсім не жарт.
- Які жарти! – повторив граф. – Тільки скажи він слово, ми всі підемо… Ми не німці якісь…
- А ви помітили, - сказав П'єр, - що сказало: «для наради».
– Ну вже там навіщо б не було…
В цей час Петя, на якого ніхто не звертав уваги, підійшов до батька і, весь червоний, то грубим, то тонким голосом, сказав:
– Ну тепер, татусю, я рішуче скажу – і матінка теж, як хочете, – я рішуче скажу, що ви пустите мене у військову службу, бо я не можу… от і все…
Графіня з жахом підвела очі до неба, сплеснула руками і сердито звернулася до чоловіка.
– Ось і домовився! - сказала вона.
Але граф тієї ж хвилини оговтався від хвилювання.
– Ну, ну, – сказав він. – Ось воїн ще! Дурниці то залиш: вчитися треба.
- Це не дурниці, тату. Оболенський Федя молодший за мене і теж іде, а головне, все одно я не можу нічого навчатися тепер, коли… – Петрик зупинився, почервонів до поту і промовив таки: – коли батьківщину в небезпеці.
– Досить, повно, дурниці…
- Та ви самі сказали, що всім пожертвуємо.
- Петю, я тобі кажу, замовкни, - крикнув граф, оглядаючись на дружину, яка, збліднувши, дивилася очима, що зупинилися, на меншого сина.
– А я вам говорю. Ось і Петро Кирилович скаже…
- Я тобі кажу - нісенітниця, ще молоко не обсохло, а у військову службу хоче! Ну, ну, я тобі кажу, - і граф, взявши з собою папери, мабуть, щоб ще раз прочитати в кабінеті перед відпочинком, пішов із кімнати.
– Петре Кириловичу, що ж, підемо покурити…
П'єр перебував у збентеженні та нерішучості. Незвично блискучі і жваві очі Наташі безперестанку, більше ніж ласкаво зверталися на нього, привели його в цей стан.
- Ні, я, здається, додому поїду.
- Як додому, та ви вечір у нас хотіли... І то рідко почали бувати. А ця моя… – сказав добродушно граф, вказуючи на Наташу, – тільки за вас і весела…
– Так, я забув… Мені неодмінно треба додому… Справи… – поспішно сказав П'єр.
- Ну так до побачення, - сказав граф, зовсім виходячи з кімнати.
- Чому ви їдете? Чому ви засмучені? Чому?.. – запитала П'єра Наталя, зухвало дивлячись йому в очі.
Крім дії хімічних процесів, що впливають на властивості поверхні та фрикційну взаємодію між твердими тілами, існує відкрите та досліджене П.А. Ребіндером аналогічний мастильний засіб, обумовлений суто молекулярною взаємодією мастила з твердими поверхнями, що отримав назву «ефекту Ребіндера».
Реальні тверді тіла мають як поверхневі, і внутрішні дефекти структури. Як правило, подібні дефекти мають надмірну вільну енергію. За рахунок фізичної адсорбції молекул поверхнево-активних речовин (ПАР) відбувається зниження рівня вільної поверхневої енергії твердого тіла в місцях їх посадки. Це зменшує роботу виходу дислокацій на поверхню. Поверхнево-активні речовини проникають у тріщини і в міжкристалітне простір, надаючи механічний вплив на їх стінки і, розсовуючи їх, призводять до крихкого розтріскування матеріалу та зменшення міцності контактуючих тіл. І якщо подібні процеси розвиваються тільки на виступах контактуючих тіл, зменшуючи опір зсуву нерівностей цього матеріалу, то в цілому цей процес призводить до вигладжування поверхні, зменшення питомого тиску в контактній зоні та в цілому
зменшення тертя і зносу тертьових тіл. Але якщо нормальні навантаження при терті значно збільшуються, високі питомі тиски поширюються на всю контурну площу, розміцнення матеріалу здійснюється на великій ділянці поверхні і призводить до дуже швидкого її руйнування.
Ефект Ребіндера широко використовується як при розробці мастильних матеріалів (для цього в мастильний матеріал вводять спеціальні ПАР), так і для полегшення деформування та обробки матеріалу при виготовленні деталей машин (для цього використовуються спеціальні мастила та емульсії у вигляді мастильно-охолоджуючих рідин СОЖ).
Прояв ефекту Ребіндера відбувається на найрізноманітніших матеріалах. Це і метали, гірські породи, шибки, елементи машин та обладнання. Середовище, що викликає зниження міцності, може бути газоподібним і рідким. Часто як ПАР можуть виступати розплавлені метали. Наприклад, мідь, що виділилася при розплавленні підшипника ковзання, стає ПАР для сталі. Проникаючи в тріщини та міжкристалічний простір вагонних осей, цей процес стає причиною крихкого руйнування осей та причиною аварій на транспорті.
Не віддаючи належної уваги природі процесу, ми часто стикалися з прикладами, коли аміак викликає розтріскування латунних деталей, газоподібні продукти згоряння різко прискорюють процес руйнування турбінних лопаток, розплавлений хлористий магній діє руйнівно на міцні нержавіючі сталі та ряд інших. Знання природи цих явищ відкриває можливості спрямовано вирішувати питання підвищення зносостійкості та руйнування відповідальних деталей та вузлів машин та обладнання, а за належного використання ефекту Ребіндера підвищувати продуктивність обробного обладнання та ефективність використання пар тертя, тобто. економити енергію.
Явлення змочуваності розглядалися для рівноважного стану системи. У пластових умовах спостерігаються нестійкі процеси, що відбуваються поверхні розділу фаз. За рахунок витіснення нафти водою утворюється трифазний периметр змочування, що пересувається. Кут змочування змінюється залежно від швидкості та напрямку руху рідини (менісків рідини, рис. 5.5) у каналах та тріщинах.
Рисунок 5.5 – Схема зміни кутів змочування при зміні напрямку руху меніска в капілярному каналі: 1 – наступаючий, 2 – відступаючий кути змочування при русі водо-нафтового меніска в циліндричному каналі з гідрофільною поверхнею ( – статичний)
Кінетичним гістерезисом змочуванняприйнято називати зміну кута змочування при пересуванні твердою поверхнею трифазного периметра змочування. Величина гістерези залежить:
від руху периметра змочування, тобто. від того, чи відбувається витіснення з твердої поверхні води нафтою або водою нафти;
швидкості переміщення трифазної межі поділу фаз по твердій поверхні;
шорсткості твердої поверхні;
адсорбції на поверхні речовин.
Явища гістерези виникають, переважно, на шорстких поверхнях і мають молекулярну природу. На полірованих поверхнях гістерезис проявляється слабо.
5.6 Властивості поверхневих шарів пластових рідин
Про структуру поверхневого шару є різні припущення.
Багато дослідників, що вивчають будову та товщину тонких шарів рідини, пов'язують утворення пристінних шарів з поляризацією молекул та їх орієнтацією від поверхні твердого тіла у внутрішні області рідини з утворенням сольватних 1 шарів.
Особливо складну будову мають шари нафти, що контактують з гірськими породами пласта, так як взаємодія поверхнево-активних речовин з мінералами дуже різноманітна.
Помічено, наприклад, що реагенти, що застосовуються у флотаційній техніці, можуть закріплюватися на поверхні мінералу як у формі звичайних тривимірних плівок, що утворюють самостійну фазу на поверхні мінеральних частинок, так і у вигляді поверхневих сполук, які не мають певного складу і не утворюють окремої самостійної фази.
Нарешті, реагенти можуть концентруватися в дифузійній частині подвійного електричного шару, а не на поверхні розділу фаз.
Поверхнево-активні компоненти, очевидно, завжди концентруються як на поверхні, а й у тривимірному обсязі поблизу поверхні розділу.
Багатьма дослідниками були зроблені спроби вимірювати товщину плівки різних рідин на твердих тілах. Так, наприклад, за результатами вимірювань Б. В. Дерягіна та М. М. Кусакова товщина плівок, що змочують, водних розчинів солей на різних твердих плоских поверхнях становить близько 10 -5 см (100 їм). Ці шари відрізняються від решти рідини структурою та механічними властивостями – пружністю на зсув та підвищеною в'язкістю. Встановлено, що властивості рідини в поверхневому шарі також змінюються внаслідок її стиснення. Наприклад, щільність адсорбованої силікагелем води за деякими вимірами становить 1027-1285 кг/м 3 .
Особливі властивості мають також адсорбційні і пов'язані з ними сольватні оболонки на розділах фаз у нафтовому пласті. Деякі складові нафти можуть утворювати гелеподібні структуровані адсорбційні шари (з незвичайними - аномальними властивостями) з високою структурною в'язкістю, а при високих ступенях насичення адсорбційного шару - з пружністю та механічною міцністю на зсув.
Дослідження показують, що до складу поверхневих шарів на розділі нафта - вода входять нафтенові кислоти, низькомолекулярні смоли, колоїдні частинки високомолекулярних смол та асфальтенів, мікрокристали парафіну, а також частинки мінеральних та вуглецевих суспензій. Передбачається, що поверхневий шар на нафтовому розділі - вода утворюється в результаті скупчення мінеральних і вуглецевих частинок, а також мікрокристалів парафіну під впливом вибіркового змочування водною фазою гідрофільних ділянок їх поверхні. Ассорбовані на цій же поверхні розділу асфальтосмолисті речовини, що переходять у гелеподібний стан, цементують частинки парафіну та мінералів в єдиний монолітний шар. Поверхневий шар ще більше товщає внаслідок сольватизації гелів асфальтосмолистих речовин з боку нафтової фази.
p align="justify"> Особливі структурно-механічні властивості поверхневих шарів зумовлюють стабілізацію різних систем і, зокрема, високу стійкість деяких водонафтових емульсій.
Існування адсорбційних шарів на розділі залишкова вода - нафта, мабуть, надає також деякий затримуючий вплив на процеси змішування нагнітається в пласт вод з залишковими.
5.7 Розклинювальна дія тонких шарів рідини.
Досліди Дерягіна. Ефект Ребіндера
Рідина, що змочує тверде тіло, проникаючи в тонкі тріщини, здатна відігравати роль клину і розсувати її стінки, тобто. тонкі шари рідини мають розклинювальну дію 2 . Ця властивість тонких шарів проявляється також при зближенні твердих поверхонь, занурених у рідину. За дослідженнями Б. В. Дерягіна дія, що розклинює, виникає за умови, якщо товщина шару h рідини, що розсуває поверхні тріщини, менше деякої величини h кр. При h > h кррозклинювальна дія дорівнює нулю і при h < h крвоно зростає із зменшенням товщини рідкого шару, тобто з моменту h ≤ h крдля зближення поверхонь частинок необхідно додати до них зовнішнє навантаження.
Факторами, що створюють дію, що розклинює, є сили іонно-електростатичного походження і особливий агрегатний стан полярних рідин поблизу граничних поверхонь.
Раніше згадувалося, що властивості сольватного шару на поверхні твердого тіла різко відрізняються від властивостей решти рідини. Цей (сольватний) шар можна як особливу граничну фазу. Тому при зближенні частинок до відстаней, менших за подвійну товщину сольватних шарів, до частинок необхідно прикладати зовнішнє навантаження.
Розклинювальний тиск іонно-електростатичного походження виникає через зміни концентрації іонів у шарі, що розділяє частинки та в оточуючому їх розчині.
За результатами досвіду розклинювальна дія тим більша, чим міцніший зв'язок між рідиною та поверхнями твердого тіла. Його можна посилити, якщо ввести в рідину поверхнево-активні речовини, що добре адсорбуються поверхнею твердого тіла. На цьому явищі ґрунтується ефект Ребіндера. Сутність його у тому, що невеликі кількості поверхнево-активних речовин викликають різке погіршення механічних властивостей твердого тіла. Адсорбційне зниження міцності твердих тіл залежить багатьох чинників. Воно посилюється, якщо тіло піддається зусиллям, що розтягують, і якщо рідина добре змочує поверхню.
Ефект адсорбційного зниження міцності використовується у бурінні свердловин. При використанні як промивні рідини розчинів, що містять спеціально підібрані поверхнево-активні речовини, помітно полегшується буріння твердих порід.
РЕБІНДЕР Петро Олександрович (03.Х.1898-12.VII.1972), радянський фізико-хімік, академік АН СРСР із 1946 р. (член-кореспондент з 1933 р.), народився Петербурзі. Закінчив фізико-математичний факультет Московського університету (1924). У 1922-1932 pp. працював в Інституті фізики та біофізики АН СРСР і одночасно (у 1923-1941 рр.) – у Московському державному педагогічному інституті ім. К.Лібкнехта (з 1923 р. - професор), з 1935 р. - завідувач відділу дисперсних систем у Колоїдно-електрохімічному інституті (з 1945 р. - Інститут фізичної хімії) АН СРСР, з 1942 р. - завідувач кафедри колло Університеті.
Роботи Ребіндера присвячені фізикохімії дисперсних систем та поверхневих явищ. У 1928 р. вчений відкрив явище зниження міцності твердих тіл внаслідок оборотного фізико-хімічного на них середовища (ефект Ребіндера) й у 1930-1940-е гг. розробив шляхи полегшення обробки дуже твердих та важкообробних матеріалів.
Він виявив електрокапілярний ефект пластифікування металевих монокристалів у процесі повзучості при поляризації їх поверхні в розчинах електролітів, досліджував особливості водних розчинів поверхнево-активних речовин, вплив адсорбційних шарів на властивості дисперсних систем, виявив (1935-1940) основні закономірності утворення та стабілізації пін та ем а також процесу обігу фаз в емульсіях.
Вчений встановив, що миюча дія включає складний комплекс колоїдно-хімічних процесів. Ребіндер вивчив процеси утворення та будову міцел поверхнево-активних речовин, розвинув уявлення про термодинамічній стійкій міцелі мил з ліофобним внутрішнім ядром у ліофільному середовищі. Вчений вибрав та обґрунтував оптимальні параметри для характеристики реологічних властивостей дисперсних систем та запропонував методи їх визначення.
У 1956 р. вчений відкрив явище адсорбційного зниження міцності металів під впливом металевих розплавів. У 1950-ті роки. вченим була створена нова галузь науки – фізико-хімічна механіка. Як писав сам Ребіндер: «Кінцеве завдання фізико-хімічної механіки полягає в тому, щоб розробити наукові засади для отримання твердих тіл та систем із заданими структурою та механічними властивостями. Отже, в завдання цієї галузі входить створення оптимально спрямованої технології виробництва та обробки по суті всіх будівельних та конструкційних матеріалів сучасної техніки - бетонів, металів та сплавів, особливо жароміцних, кераміки та металокераміки, гум, пластиків, мастильних матеріалів».
З 1958 р. Ребіндер - голова Наукової ради АН СРСР з проблем фізико-хімічної механіки та колоїдної хімії, потім (з 1967 р.) голова Національного комітету СРСР при Міжнародному комітеті з поверхнево-активних речовин. З 1968 по 1972 р. він був головним редактором «Колоїдного журналу». Вченого нагороджено двома орденами Леніна, мав звання Героя Соціалістичної праці (1968), лауреата Державної премії СРСР (1942).
Ефект Ребіндера, ефект адсорбційного зниження міцності твердих тіл, полегшення деформації та руйнування твердих тіл внаслідок оборотного фізико-хімічного впливу середовища. Відкритий П. А. Ребіндером (1928) щодо механічних властивостей кристалів кальциту і кам'яної солі. Можливий при контакті твердого тіла, що знаходиться в напруженому стані, з рідким (або газовим) адсорбційно-активним середовищем. Ефект Ребіндера дуже універсальний - спостерігається в твердих металах, іонних, ковалентних і молекулярних моно-і полікристалічних тілах, стеклах і полімерах, частково закристалізованих та аморфних, пористих і суцільних. Основна умова прояву ефекту Ребіндера - споріднений характер контактуючих фаз (твердого тіла та середовища) за хімічним складом та будовою. Форма і ступінь прояву ефекту залежать від інтенсивності міжатомних (міжмолекулярних) взаємодій дотичних фаз, величини і типу напруг (необхідні напруги, що розтягують), швидкості деформації, температури. Істотну роль грає реальна структура тіла - наявність дислокацій, тріщин, сторонніх включень та ін. Характерна форма прояву ефекту Ребіндера - багаторазове падіння міцності, підвищення крихкості твердого тіла, зниження його довговічності. Так, змочена ртуттю цинкова пластина під навантаженням не гнеться, а тендітно руйнується. Інша форма прояву - пластифікуюча дія середовища на тверді матеріали, наприклад води на гіпс, органічних поверхнево-активних речовин на метали та ін. . Молекулярна природа ефекту полягає у полегшенні розриву та перебудови міжмолекулярних (міжатомних, іонних) зв'язків у твердому тілі у присутності адсорбційно-активних і водночас досить рухливих сторонніх молекул (атомів, іонів).
Найважливіші області технічного застосування - полегшення та поліпшення механічної обробки різних (особливо високотвердих і важкообробних) матеріалів, регулювання процесів тертя та зносу із застосуванням мастил, ефективне отримання подрібнених (порошкоподібних) матеріалів, отримання твердих тіл і матеріалів із заданою дисперсною структурою та ін властивостей шляхом дезагригування та подальшого ущільнення без внутрішніх напруг. Адсорбційно-активне середовище може завдавати істотної шкоди, наприклад, знижуючи міцність і довговічність деталей машин і матеріалів в умовах експлуатації. Усунення факторів, що сприяють прояву ефекту Ребіндера, у цих випадках дозволяє захищати матеріали від небажаного впливу середовища.
Навіть найміцніші тіла мають величезну кількість дефектів, які й послаблюють їхній опір навантаженню, роблять менш міцними порівняно з тим, що передбачає теорія. При механічному руйнуванні твердого тіла процес починається з місця, де розташовані мікродефекти. Збільшення навантаження призводить до розвитку в місці дефекту мікротріщини. Однак зняття навантаження призводить до відновлення початкової структури: ширина мікротріщин часто буває недостатньою для повного подолання сил міжмолекулярної (міжатомної) взаємодії. Зменшення навантаження призводить до стягування мікротріщини, сили міжмолекулярної взаємодії відновлюються практично повністю, тріщина зникає. Справа ще й у тому, що утворення тріщини – це утворення нової поверхні твердого тіла, а такий процес вимагає витрати енергії, що дорівнює енергії поверхневого натягу, помноженої на площу цієї поверхні. Зменшення навантаження веде до «стягування» тріщин, тому що система прагне зменшення енергії, в ній запасеної. Отже, для успішного руйнування твердого тіла необхідно покрити поверхню, що утворюється, спеціальною речовиною, званою поверхнево-активною, яка зменшуватиме роботу з подолання молекулярних сил при утворенні нової поверхні. Поверхнево-активні речовини проникають у мікротріщини, покривають їх поверхні шаром товщиною всього в одну молекулу (що визначає можливість використання дуже малих кількостей добавок цих речовин), запобігаючи процесу «схлопування», перешкоджаючи поновленню молекулярної взаємодії.
Поверхнево-активні речовини за певних умов полегшують подрібнення твердих тіл. Дуже тонке (аж до розміру колоїдних частинок) подрібнення твердих тіл взагалі неможливо здійснити без додавання поверхнево-активних речовин.
Тепер залишається згадати, що руйнація твердого тіла (тобто утворення нових мікротріщин) починається саме з того місця, де розташований дефект структури цього тіла. Крім того, поверхнево-активна речовина, що додається, адсорбується переважно також у місцях розташування дефектів - таким чином полегшується його адсорбція на стінках майбутніх мікротріщин. Наведемо слова академіка Ребіндера: «Відрив частини відбувається саме по цих слабких місцях [розташування дефектів], і, отже, дрібні частинки тіла, що утворюються при подрібненні, вже не містять цих найбільш небезпечних дефектів. Висловлюючись точніше, ймовірність зустрічі небезпечного слабкого місця стає тим меншою, чим менші її розміри.
Якщо, подрібнюючи реальне тверде тіло будь-якої природи, ми дійдемо до частинок, розміри яких приблизно такі ж, як відстані між найнебезпечнішими дефектами, то такі частинки вже майже напевно не будуть містити небезпечних дефектів структури, вони стануть набагато міцнішими, ніж великі зразки того ж самого тіла. Отже, варто лише подрібнити тверде тіло на досить дрібні шматочки, і ці шматочки тієї ж природи, того ж складу будуть найбільш міцними, майже ідеально міцними».
Потім ці однорідні, бездефектні частинки треба з'єднати, зробити їх тверде (високоміцне) тіло необхідних розмірів і форми, змусити частинки щільно упаковатися і дуже міцно об'єднатися друг з одним. Отримана таким чином деталь машини або будівельна деталь повинна бути набагато міцнішою, ніж вихідний матеріал до подрібнення. Звичайно, не настільки міцною, як окрема частка, тому що в місцях об'єднання виникнуть нові дефекти. Однак при вмілому проведенні процесу об'єднання частинок міцність вихідного матеріалу буде перевищена. Для цього потрібно особливо щільно запакувати дрібні частинки, щоб між ними знову виникли сили міжмолекулярної взаємодії. Зазвичай для цього використовують стиск частинок пресуванням та нагрівання. Нагрівають отриманий пресуванням дрібнозернистий агрегат, не доводячи його до плавлення. При підвищенні температури збільшується амплітуда теплових коливань молекул (атомів) у кристалічній решітці. У точках дотику молекули двох сусідніх частинок, що коливаються, зближуються і навіть перемішуються. Сили зчеплення збільшуються, частки стягуються, практично не залишаючи порожнеч і пір, дефекти зіткнення зникають.
У ряді випадків частки вдається склеїти чи спаяти один з одним. При цьому процес треба вести в такому режимі, щоб прошарки клею або припою не містили дефектів.
Докорінне вдосконалення процесу подрібнення твердих тіл, засноване на практичному застосуванні ефекту Ребіндера, виявилося дуже корисним для багатьох галузей промисловості. Технологічні процеси подрібнення суттєво прискорилися, при цьому споживання енергії помітно поменшало. Тонке подрібнення дозволило проводити багато технологічних процесів при менш високих температурах і тисках. В результаті були отримані більш високоякісні матеріали: бетони, керамічні та металокерамічні вироби, барвники, маси олівці, пігменти, наповнювачі та багато іншого. Полегшується механічна обробка тугоплавких та жароміцних сталей.
Ось як описує спосіб застосування ефекту Ребіндера він сам: «Будівельні деталі з цементного бетону можуть бути надійно об'єднані в монолітну конструкцію шляхом склеювання цементним віброколоїдним клеєм. добавкою поверхнево-активної речовини. Суміш розріджується граничним вібруванням в процесі нанесення на поверхні, що склеюються у вигляді тонкого прошарку. Після швидкого затвердіння прошарок клею стає найміцнішим місцем у конструкції».
Використання ідей академіка Ребіндера щодо полегшення процесу подрібнення твердих тіл має велике практичне значення, наприклад для розробки методу зменшення міцності мінералів з метою підвищення ефективності буріння в твердих породах.
Зниження міцності металів під впливом металевих розплавів.У 1956 р. Ребіндер відкрив явище зниження міцності металів під впливом металевих розплавів. Було показано, що найбільше зниження поверхневої енергії твердого тіла (металу) майже до нуля можна викликати розплавленими середовищами, близькими до твердого тіла за молекулярною природою. Так, міцність на розтяг монокристалів цинку вдалося знизити в десятки разів при нанесенні на їх поверхню шару рідкого металу олова товщиною в 1 мікрон і менше. Подібні ефекти для тугоплавких та жароміцних сплавів спостерігаються під дією рідких легкоплавких металів.
Відкрите явище виявилося дуже важливим удосконалення способів обробки металів тиском. Цей процес неможливий без застосування мастила. Для матеріалів нової техніки – тугоплавких та жароміцних сплавів – обробка особливо суттєво полегшується при застосуванні активних мастил, які розм'якшують тонкі поверхневі шари металу (що, власне, і відбувається під дією невеликих кількостей металевих розплавів). При цьому метал як би змащує сам себе - усувається шкідлива надмірна деформація, що виникає при обробці, яка викликає так звану наклеп - підвищення міцності, що заважає обробці. Відкриваються нові можливості обробки металів тиском за нормальної та підвищеної температури: підвищується якість виробів, зменшується зношування обробного інструменту, витрата енергії на обробку.
Замість переведення дорогого металу в стружку в процесі виготовлення виробу різанням можна застосувати пластичну зміну форми: обробку тиском без втрат металу. При цьому якість виробів також зростає.
Різке зниження міцності поверхневого шару металів грає істотну роль поліпшенні роботи вузлів тертя. Виникає автоматично діючий механізм управління зносом: якщо є випадкові нерівності на поверхнях, що труться (задири, подряпини і т. п.), в місцях їх дислокації розвивається високий місцевий тиск, що викликає поверхневий перебіг металів, значно полегшений під дією адсорбованих розплавів (змочений розплавом поверхневий плав металу втрачає міцність). Поверхні, що труться, легко пришліфовуються або заполіровуються. Введене «мастило» викликає прискорений «знос» нерівностей, збільшується швидкість опрацювання (обкатки) машин.
Активні розплави-домішки можна використовувати як модифікатори процесу кристалізації. Адсорбуючись на кристалах-зародках металу, що виділяється, вони зменшують швидкість їх зростання. Таким чином, утворюється дрібнозерниста структура металу з вищою міцністю.
Розроблено процес «тренування» металу в поверхнево-активному середовищі. Метал піддають періодичним поверхневим впливам, які призводять до руйнації. Через полегшення пластичних деформацій у поверхневих шарах метал у внутрішньому обсязі як би «розминається», відбувається диспергування кристалічних ґрат зерен. Якщо проводити такий процес при температурі, близькій до температури початку рекристалізації металу, у поверхнево-активному середовищі відбувається утворення дрібнокристалічної структури з набагато вищою твердістю. Та й подрібнення металів при отриманні тонкого порошку не обходиться без застосування поверхнево активних розплавів. Надалі з цього порошку одержують вироби гарячим пресуванням (у повній відповідності до описаного вище процесу зміцнення матеріалів з порошків).
ЕФЕКТ РЕБІНДЕРУ В ПОЛІМЕРАХ. Видатний радянський фізико-хімік академік Петро Олександрович Ребіндер був першим, хто спробував вплинути на роботу руйнування твердого тіла. Саме Ребіндер вдалося зрозуміти, яким чином це можна здійснити. Ще в 20-х роках минулого століття він використовував для цієї мети так звані поверхнево-активні, або адсорбційно-активні речовини, які здатні ефективно адсорбуватися на поверхні навіть при низькій концентрації в навколишньому середовищі і різко знижувати поверхневий натяг твердих тіл. Молекули даних речовин атакують міжмолекулярні зв'язки у вершині руйнування, що росте, і, адсорбуючись на свіжоутворених поверхнях, послаблюють їх. Підібравши спеціальні рідини і ввівши їх на поверхню твердого тіла, що руйнується, Ребіндер добився разючого зменшення роботи руйнування при розтягуванні (рис.1). На малюнку представлені деформаційно-міцнісні криві монокристала цинку (пластинки товщиною порядку міліметра) за відсутності та в присутності поверхнево-активної рідини. Момент руйнування обох випадках відзначений стрілками. Добре видно, що якщо просто розтягувати зразок, він руйнується при більш ніж 600% подовженні. Але якщо ту ж процедуру робити, нанісши на його поверхню рідке олово, руйнування настає лише при ~10% подовженні. Оскільки робота руйнування - це площа під кривою залежності напруги від деформації, неважко помітити, що присутність рідини зменшує роботу навіть у рази, але в порядки. Саме цей ефект і був названий ефектом Ребіндера, або адсорбційним зниженням міцності твердих тіл.
Рис.1. Залежність напруги від деформації монокристалів цинку при 400 ° С: 1 - на повітрі; 2 - у розплаві олова
Ефект Ребіндера - універсальне явище, воно спостерігається при руйнуванні будь-яких твердих тіл, у тому числі полімерів. Тим не менш, природа об'єкта вносить свої особливості в процес руйнування, і полімери в цьому сенсі не є винятком. Полімерні плівки складаються з великих цілих молекул, що утримуються разом силами Ван-дер-Ваальса або водневими зв'язками, які помітно слабші, ніж ковалентні зв'язки всередині самих молекул. Тому молекула, навіть будучи членом колективу, зберігає деякі відокремленість та індивідуальні якості. Головна особливість полімерів - ланцюгова будова їх макромолекул, що забезпечує їхню гнучкість. Гнучкість молекул, тобто. їх здатність змінювати свою форму (за рахунок деформації валентних кутів та поворотів ланок) під дією зовнішньої механічної напруги та ряду інших факторів, лежить в основі всіх характеристичних властивостей полімерів. Насамперед - можливості макромолекул до взаємної орієнтації. Щоправда, треба зазначити, що останнє стосується лише лінійних полімерів. Існує величезна кількість речовин, що мають велику молекулярну вагу (наприклад, білки та інші біологічні об'єкти), але не мають специфічні якості полімерів, оскільки сильні внутрішньомолекулярні взаємодії заважають їх макромолекулам згинатися. Більше того, типовий представник полімерів - натуральний каучук, - будучи «зшитим» за допомогою спеціальних речовин (процес вулканізації), може перетворитися на тверду речовину - ебоніт, що не подає взагалі жодних ознак полімерних властивостей.
У полімерах ефект Ребіндера проявляється дуже своєрідно. В адсорбційно-активній рідині виникнення та розвиток нової поверхні спостерігається не тільки при руйнуванні, а значно раніше – ще в процесі деформації полімеру, що супроводжується орієнтацією макромолекул.
Рис.2. Зовнішній вигляд зразків поліетилентерефталату, розтягнутих на повітрі (а) та в адсорбційно-активному середовищі (н-пропанолі) (б).
ребіндер полімер метал міцність
На рис.2 представлені зображення двох зразків лавсану, один з яких був розтягнутий на повітрі, а інший - в адсорбційно активної рідини. Добре видно, що у першому випадку у зразку виникає шийка. У другому випадку плівка не звужується, проте стає молочно-білою і не прозорою. Причини побіління, що спостерігається, стають зрозумілими при мікроскопічному дослідженні.
Рис.3. Електронна мікрофотографія зразка поліетилентерефталату, деформованого в н-пропанолі. (Звел. 1000)
Замість монолітної прозорої шийки в полімері утворюється унікальна фібрилярно-пориста структура, що складається з ниткоподібних агрегатів макромолекул (фібрил), розділених мікропустотами (порами). І тут взаємна орієнтація макромолекул досягається над монолітної шийці, а всередині фибрилл. Оскільки фібрили роз'єднані у просторі, така структура містить величезну кількість мікропустот, які інтенсивно розсіюють світло та надають полімеру молочно-білий колір. Пори заповнюються рідиною, тому гетерогенна будова зберігається і після зняття напруги, що деформує. Фібрилярно-пориста структура виникає в особливих зонах і в міру деформування полімеру захоплює все більший обсяг. Аналіз мікроскопічних зображень дозволив встановити особливості структурних перебудов у полімері, що піддається крейзингу (рис.4).
Рис.4. Схематичне зображення окремих стадій крейзинга-полімеру: I - ініціювання крейзів, II - зростання крейзів, III - розширення крейзів.
Зародившись на якому-небудь дефекті (неоднорідності структури), які є удосталь на поверхні будь-якого реального твердого тіла, крейзи ростуть через весь перетин полімеру, що розтягується, в напрямку, нормальному осі розтягуючого напруги, зберігаючи постійну і дуже малу (~1 мкм) ширину. У цьому сенсі вони подібні до справжніх тріщин руйнування. Але коли крейз "перерізає" весь поперечний переріз полімеру, зразок не розпадається на окремі частини, а залишається єдиним цілим. Це пов'язано з тим, що протилежні краї такий своєрідної тріщини з'єднані найтоншими нитками орієнтованого полімеру (рис.3). Розміри (діаметри) фібрилярних утворень, так само як і мікропустот, що їх розділяють, - 1-10 нм.
Коли фібрили, що з'єднують протилежні стінки крейзів, стають досить довгими, починається їх злиття (при цьому площа поверхні зменшується, рис.5). Іншими словами, полімер зазнає своєрідний структурний перехід від пухкої структури до більш компактної, що складається з щільно упакованих агрегатів фібрил, які орієнтовані в напрямку осі розтягування.
Рис.5. Схема, що ілюструє колапс структури полімеру, що відбувається при великих значеннях деформації в адсорбційно-активній рідині, на різних стадіях розтягування
Існує метод поділу молекул шляхом адсорбції з розчину тих, які здатні проникати в пори даного розміру (молекулярно-ситовий ефект). Оскільки розмір часу можна легко регулювати, змінюючи ступінь витяжки полімеру в адсорбційно-активному середовищі (використовуючи ефект Ребіндера), легко досягти вибіркової адсорбції. Важливо відзначити, що адсорбенти, що використовуються в практиці, зазвичай являють собою якийсь порошок або гранулят, яким заповнюють різного роду ємності (наприклад, сорбент у тому ж протигазі). За допомогою ефекту Ребіндер легко отримати плівку або волокно з наскрізною нанометричною пористістю. Іншими словами, відкривається перспектива створити конструкційний матеріал, що володіє оптимальними механічними властивостями і є ефективним сорбентом.
За допомогою ефекту Ребіндер елементарним шляхом (простим розтягуванням полімерної плівки в адсорбційно-активному середовищі) вдається робити пористі полімерні плівки на основі практично будь-яких синтетичних полімерів. Розміри часу в таких плівках легко регулювати, змінюючи ступінь деформації полімеру, що дозволяє виготовляти розділові мембрани для вирішення різних практичних завдань.
Ефект Ребіндера в полімерах несе великий прикладний потенціал. По-перше, простою витяжкою полімеру в адсорбційно-активній рідині можна отримувати різноманітні полімерні сорбенти, розділові мембрани та полімерні вироби, що мають поперечний рельєф, і, по-друге, ефект Ребіндера дає хіміку-технологу універсальний безперервний метод введення добавок, що модифікують, в полімери.
Список використаних матеріалів
- 1. www.rfbr.ru/pics/28304ref/file.pdf
- 2. www.chem.msu.su/ukr/teaching/colloid/4.html
- 3. http://femto.com.ua/articles/part_2/3339.html
- 4. Велика Радянська Енциклопедія. М: Радянська енциклопедія, 1975, т. 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://ua.wikipedia.org/wiki/Ефект Ребіндера
Цей роман – «зібрання строкатих розділів», де кожен розділ названий рядком з Пушкіна і є самостійним оповіданням про одного з героїв. А героїв у романі чимало – обдарований музикант повоєнного часу, «милий бабник», і непоказна зразкова школярка середини 50-х, у душі якої горять невидимі світові пристрасті – заздрість, ревнощі, заборонене кохання; дитбудинку хлопець, фізик-атомник, син репресованого комісара та сільська «погорелиця», свідок ГУЛАГу, і багато, багато інших. Приватні історії розростаються в картину російської історії XX століття, але роман не історичне полотно, а скоріше багатопланова сімейна сага, і чим далі розвивається оповідання, тим більше сплітаються долі героїв навколо загадкової родини Катеніних, нащадків того Катеніна, друга Пушкіна. Роман сповнений загадок і таємниць, пристрастей та образ, кохання та гірких втрат. І все частіше виникає аналогія з вузько науковим поняттям «ефект Ребіндера» – як крапля олова ламає гнучку сталеву пластинку, так незначна, на перший погляд, подія змінює і ламає конкретне людське життя.
«Новели, витончено нанизані, немов намистини на нитку: кожна з них – окрема повість, але раптом один сюжет перетікає в інший, і долі героїв перетинаються несподіваним чином, нитка не рветься. Вся розповідь глибоко мелодійна, вона пронизана музикою - і любов'ю. Одних кохання балує все життя, інші болісно борються за неї. Однокласники та закохані, батьки та діти, міцна та непорушна єдність людей, заснована не на кревній спорідненості, а на коханні та людській доброті, – і нитка сюжету, на якій додалося ще кілька намистин, як і раніше міцна… Так людські стосунки витримують випробування сталінським часом, «відлигою» та ханжеством «розвиненого соціалізму» з його піком – Чорнобильською катастрофою. Нитка не рветься, чи не всупереч закону Ребіндера».
Олена Катішонок, лауреат премії «Ясна поляна» та фіналіст «Російського Букера»
На нашому сайті ви можете скачати книгу "Ефект Ребіндера" Олена Мінкіна-Тайчер безкоштовно та без реєстрації у форматі fb2, rtf, epub, pdf, txt, читати книгу онлайн або купити книгу в інтернет-магазині.
