Эффект Ребиндера

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Кафедра физической и коллоидной химии

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Выполнила: студент гр. 5271-1

Бобровник С.А.

Проверила:

Третьякова А.Я.

Казань 2010

РЕБИНДЕР Петр Александрович (03.Х.1898-12.VII.1972), советский физико-химик, академик АН СССР с 1946 г. (член-корреспондент с 1933 г.), родился в Петербурге. Окончил физико-математический факультет Московского университета (1924). В 1922-1932 гг. работал в Институте физики и биофизики АН СССР и одновременно (в 1923-1941 гг.) - в Московском государственном педагогическом институте им. К.Либкнехта (с 1923 г. - профессор), с 1935 г. - заведующий отделом дисперсных систем в Коллоидно-электрохимическом институте (с 1945 г. - Институт физической химии) АН СССР, с 1942 г. - заведующий кафедрой коллоидной химии в Московском университете.

Работы Ребиндера посвящены физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений. В 1928 г. ученый открыл явление понижения прочности твердых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия на них среды (эффект Ребиндера) и в 1930-1940-е гг. разработал пути облегчения обработки очень твердых и труднообрабатываемых материалов.

Он обнаружил электрокапиллярный эффект пластифицирования металлических монокристаллов в процессе ползучести при поляризации их поверхности в растворах электролитов, исследовал особенности водных растворов поверхностно-активных веществ, влияние адсорбционных слоев на свойства дисперсных систем, выявил (1935-1940) основные закономерности образования и стабилизации пен и эмульсий, а также процесса обращения фаз в эмульсиях.

Ученый установил, что моющее действие включает сложный комплекс коллоидно-химических процессов. Ребиндер изучил процессы образования и строение мицелл поверхностно-активных веществ, развил представления о термодинамической устойчивой мицелле мыл с лиофобным внутренним ядром в лиофильной среде. Ученый выбрал и обосновал оптимальные параметры для характеристики реологических свойств дисперсных систем и предложил методы их определения.

В 1956 г. ученый открыл явление адсорбционного понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. В 1950-е гг. ученым была создана новая область науки - физико-химическая механика. Как писал сам Ребиндер: «Конечная задача физико-химической механики состоит в том, чтобы разработать научные основы для получения твердых тел и систем с заданными структурой и механическими свойствами. Следовательно, в задачу этой области входит создание оптимально направленной технологии производства и обработки по существу всех строительных и конструкционных материалов современной техники - бетонов, металлов и сплавов, особенно жаропрочных, керамики и металлокерамики, резин, пластиков, смазочных материалов».

С 1958 г. Ребиндер - председатель Научного совета АН СССР по проблемам физико-химической механики и коллоидной химии, затем (с 1967 г.) председатель Национального комитета СССР при Международном комитете по поверхностно-активным веществам. С 1968 по 1972 г. он был главным редактором «Коллоидного журнала». Ученый награжден двумя орденами Ленина, имел звания Героя Социалистического труда (1968), лауреата Государственной премии СССР (1942).

Эффект Ребиндера, эффект адсорбционного понижения прочности твёрдых тел, облегчение деформации и разрушения твёрдых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия среды. Открыт П. А. Ребиндером (1928) при изучении механических свойств кристаллов кальцита и каменной соли. Возможен при контакте твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, с жидкой (или газовой) адсорбционно-активной средой. Эффект Ребиндера весьма универсален -- наблюдается в твёрдых металлах, ионных, ковалентных и молекулярных моно- и поликристаллических телах, стеклах и полимерах, частично закристаллизованных и аморфных, пористых и сплошных. Основное условие проявления эффекта Ребиндера -- родственный характер контактирующих фаз (твёрдого тела и среды) по химическому составу и строению. Форма и степень проявления эффекта зависят от интенсивности межатомных (межмолекулярных) взаимодействий соприкасающихся фаз, величины и типа напряжений (необходимы растягивающие напряжения), скорости деформации, температуры. Существенную роль играет реальная структура тела -- наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др. Характерная форма проявления эффекта Ребиндера -- многократное падение прочности, повышение хрупкости твёрдого тела, снижение его долговечности. Так, смоченная ртутью цинковая пластина под нагрузкой не гнётся, а хрупко разрушается. Другая форма проявления -- пластифицирующее действие среды на твёрдые материалы, например воды на гипс, органических поверхностно-активных веществ на металлы и др. Термодинамический эффект Ребиндера обусловлен уменьшением работы образования новой поверхности при деформации в результате понижения свободной поверхностной энергии твёрдого тела под влиянием окружающей среды. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении разрыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных и вместе с тем достаточно подвижных инородных молекул (атомов, ионов).

Важнейшие области технического приложения -- облегчение и улучшение механической обработки различных (особенно высокотвёрдых и труднообрабатываемых) материалов, регулирование процессов трения и износа с применением смазок, эффективное получение измельченных (порошкообразных) материалов, получение твёрдых тел и материалов с заданной дисперсной структурой и требуемым сочетанием механических и др. свойств путём дезагригирования и последующего уплотнения без внутренних напряжений. Адсорбционно-активная среда может наносить и существенный вред, например, снижая прочность и долговечность деталей машин и материалов в условиях эксплуатации. Устранение факторов, способствующих проявлению эффект Ребиндера, в этих случаях позволяет защищать материалы от нежелательного воздействия среды.

Даже самые прочные тела имеют огромное число дефектов, которые и ослабляют их сопротивление нагрузке, делают менее прочными по сравнению с тем, что предсказывает теория. При механическом разрушении твердого тела процесс начинается с того места, где расположены микродефекты. Увеличение нагрузки приводит к развитию в месте дефекта микротрещины. Однако снятие нагрузки приводит к восстановлению первоначальной структуры: ширина микротрещины часто бывает недостаточной для полного преодоления сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия. Уменьшение нагрузки приводит к «стягиванию» микротрещины, силы межмолекулярного взаимодействия восстанавливаются практически полностью, трещина исчезает. Дело еще и в том, что образование трещины - это образование новой поверхности твердого тела, а такой процесс требует затраты энергии, равной энергии поверхностного натяжения, помноженной на площадь этой поверхности. Уменьшение нагрузки ведет к «стягиванию» трещин, т. к. система стремится к уменьшению энергии, в ней запасенной. Следовательно, для успешного разрушения твердого тела необходимо покрыть образующуюся поверхность специальным веществом, называемым поверхностно-активным, которое будет уменьшать работу по преодолению молекулярных сил при образовании новой поверхности. Поверхностно-активные вещества проникают в микротрещины, покрывают их поверхности слоем толщиной всего в одну молекулу (что определяет возможность использования очень малых количеств добавок этих веществ), предотвращая процесс «схлопывания», препятствуя возобновлению молекулярного взаимодействия.

Поверхностно-активные вещества в определенных условиях облегчают измельчение твердых тел. Очень тонкое (вплоть до размера коллоидных частиц) измельчение твердых тел вообще невозможно осуществить без добавления поверхностно-активных веществ.

Теперь остается вспомнить, что разрушение твердого тела (т. е. образование новых микротрещин) начинается именно с того места, где расположен дефект структуры этого тела. Кроме того, добавляемое поверхностно-активное вещество адсорбируется преимущественно также в местах расположения дефектов - таким образом облегчается его адсорбция на стенках будущих микротрещин. Приведем слова академика Ребиндера: «Отрыв части происходит именно по этим слабым местам [расположения дефектов], и, следовательно, образующиеся при измельчении мелкие частицы тела уже не содержат этих наиболее опасных дефектов. Выражаясь точнее, вероятность встречи опасного слабого места становится тем меньше, чем меньше ее размеры.

Если, измельчая реальное твердое тело любой природы, мы дойдем до частиц, размеры которых примерно такие же, как расстояния между самыми опасными дефектами, то такие частицы уже почти наверняка не будут содержать опасных дефектов структуры, они станут гораздо прочнее, чем крупные образцы того же самого тела. Следовательно, стоит только измельчить твердое тело на достаточно мелкие кусочки, и эти кусочки той же самой природы, того же состава будут наиболее прочными, почти идеально прочными».

Потом эти однородные, бездефектные частицы надо соединить, сделать из них твердое (высокопрочное) тело нужных размеров и формы, заставить частицы плотно упаковаться и очень прочно объединиться друг с другом. Полученная таким образом деталь машины или строительная деталь должна быть гораздо прочнее, чем исходный материал до измельчения. Естественно, не настолько прочной, как отдельная частица, т. к. в местах объединения возникнут новые дефекты. Однако при умелом проведении процесса объединения частиц прочность исходного материала будет превзойдена. Для этого требуется особенно плотно упаковать мелкие частицы, чтобы между ними снова возникли силы межмолекулярного взаимодействия. Обычно для этого используют сжатие частиц прессованием и нагрев. Нагревают полученный прессованием мелкозернистый агрегат, не доводя его до плавления. При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний молекул (атомов) в кристаллической решетке. В точках соприкосновения колеблющиеся молекулы двух соседних частиц сближаются и даже перемешиваются. Силы сцепления увеличиваются, частицы стягиваются, практически не оставляя пустот и пор, дефекты мест соприкосновения исчезают.

В ряде случаев частицы удается склеить или спаять друг с другом. При этом процесс надо вести в таком режиме, чтобы прослойки клея или припоя не содержали дефектов.

Коренное усовершенствование процесса измельчения твердых тел, основанное на практическом применении эффекта Ребиндера, оказалось весьма полезным для многих отраслей промышленности. Технологические процессы измельчения существенно ускорились, при этом потребление энергии заметно уменьшилось. Тонкое измельчение позволило проводить многие технологические процессы при менее высоких температурах и давлениях. В результате были получены более высококачественные материалы: бетоны, керамические и металлокерамические изделия, красители, карандашные массы, пигменты, наполнители и многое другое. Облегчается механическая обработка тугоплавких и жаропрочных сталей.

Вот как описывает способ применения эффекта Ребиндера он сам: «Строительные детали из цементного бетона могут быть надежно объединены в монолитную конструкцию путем склеивания цементным виброколлоидным клеем… Такой клей представляет собой смесь тонкомолотого цемента (часть которого можно заменить тонкомолотым песком) с предельно малым количеством воды и добавкой поверхностно-активного вещества. Смесь разжижается предельным вибрированием в процессе нанесения на склеиваемые поверхности в виде тонкой прослойки. После быстрого затвердевания прослойка клея становится самым прочным местом в конструкции».

Использование идей академика Ребиндера относительно облегчения процесса измельчения твердых тел имеет большое практическое значение, например, для разработки метода уменьшения прочности минералов с целью повышения эффективности бурения в твердых породах.

Понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. В 1956 г. Ребиндер открыл явление понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. Было показано, что наибольшее понижение поверхностной энергии твердого тела (металла) почти до нуля можно вызвать расплавленными средами, которые близки к твердому телу по молекулярной природе. Так, прочность на растяжение монокристаллов цинка удалось понизить в десятки раз при нанесении на их поверхность слоя жидкого металла олова толщиной в 1 микрон и меньше. Подобные эффекты для тугоплавких и жаропрочных сплавов наблюдаются под действием жидких легкоплавких металлов.

Открытое явление оказалось весьма важным для совершенствования способов обработки металлов давлением. Этот процесс невозможен без применения смазки. Для материалов новой техники - тугоплавких и жаропрочных сплавов - обработка особенно существенно облегчается при применении активных смазок, которые размягчают тонкие поверхностные слои металла (что, собственно, и происходит под действием небольших количеств металлических расплавов). При этом металл как бы смазывает сам себя - устраняется вредная избыточная деформация, возникающая при обработке, которая вызывает так называемый наклеп - мешающее обработке повышение прочности. Открываются новые возможности обработки металлов давлением при нормальной и повышенной температурах: повышается качество изделий, уменьшается износ обрабатывающего инструмента, расход энергии на обработку.

Вместо перевода дорогого металла в стружку в процессе изготовления изделия резанием можно применить пластическое изменение формы: обработку давлением без потерь металла. При этом качество изделий также повышается.

Резкое понижение прочности поверхностного слоя металлов играет существенную роль в улучшении работы узлов трения. Возникает автоматически действующий механизм управления износом: если имеются случайные неровности на трущихся поверхностях (заусеницы, царапины и т. п.), в местах их дислокации развивается высокое местное давление, вызывающее поверхностное течение металлов, значительно облегченное под действием адсорбированных расплавов (смоченный расплавом поверхностный слой металла теряет прочность). Трущиеся поверхности легко пришлифовываются или заполировываются. Введенная «смазка» вызывает ускоренный «износ» неровностей, увеличивается скорость приработки (обкатки) машин.

Активные расплавы-примеси можно использовать в качестве модификаторов процесса кристаллизации. Адсорбируясь на кристалликах-зародышах выделяемого металла, они уменьшают скорость их роста. Таким образом, образуется мелкозернистая структура металла с более высокой прочностью.

Разработан процесс «тренировки» металла в поверхностно-активной среде. Металл подвергают периодическим поверхностным воздействиям, которые не приводят к разрушению. Из-за облегчения пластических деформаций в поверхностных слоях металл во внутреннем объеме как бы «разминается», происходит диспергирование кристаллической решетки зерен. Если проводить такой процесс при температуре, близкой к температуре начала рекристаллизации металла, в поверхностно-активной среде происходит образование мелкокристаллической структуры с гораздо более высокой твердостью. Да и измельчение металлов при получении тонкого порошка не обходится без применения поверхностно-активных расплавов. В дальнейшем из этого порошка получают изделия горячим прессованием (в полном соответствии с описанным выше процессом упрочнения материалов из порошков).

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА В ПОЛИМЕРАХ. Выдающийся советский физико-химик академик Петр Александрович Ребиндер был первым, кто попытался воздействовать на работу разрушения твердого тела. Именно Ребиндеру удалось понять, каким образом это можно осуществить. Еще в 20-х годах прошлого века он использовал для этой цели так называемые поверхностно-активные, или адсорбционно-активные, вещества, которые способны эффективно адсорбироваться на поверхности даже при низкой концентрации в окружающей среде и резко снижать поверхностное натяжение твердых тел. Молекулы данных веществ атакуют межмолекулярные связи в вершине растущей трещины разрушения и, адсорбируясь на свежеобразованных поверхностях, ослабляют их. Подобрав специальные жидкости и введя их на поверхность разрушаемого твердого тела, Ребиндер добился поразительного уменьшения работы разрушения при растяжении (рис.1). На рисунке представлены деформационно-прочностные кривые монокристалла цинка (пла-стинки толщиной порядка миллиметра) в отсутствие и в присутствии поверхностно-активной жидкости. Момент разрушения в обоих случаях отмечен стрелками. Хорошо видно, что если просто растягивать образец, он разрушается при более чем 600% удлинении. Но если ту же процедуру производить, нанеся на его поверхность жидкое олово, разрушение наступает всего при ~10% удлинении. Поскольку работа разрушения -- это площадь под кривой зависимости напряжения от деформации, нетрудно заметить, что присутствие жидкости уменьшает работу даже не в разы, а на порядки. Именно этот эффект и был назван эффектом Ребиндера, или ад-сорбционным понижением прочности твердых тел [1].

Рис.1. Зависимость напряжения от деформации монокристаллов цинка при 400°С: 1 -- на воздухе; 2 -- в расплаве олова

Эффект Ребиндера -- универсальное явление, оно наблюдается при разрушении любых твердых тел, в том числе и полимеров. Тем не менее, природа объекта вносит свои особенности в процесс разрушения, и полимеры в этом смысле не исключение. Полимерные пленки состоят из крупных целых молекул, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями, которые заметно слабее, чем ковалентные связи внутри самих молекул. Поэтому молекула, даже будучи членом коллектива, сохраняет некие обособленность и индивидуальные качества. Главная особенность полимеров -- цепное строение их макромолекул, которое обеспечивает их гибкость. Гибкость молекул, т.е. их способность изменять свою форму (за счет деформации валентных углов и поворотов звеньев) под действием внешнего механического напряжения и ряда других факторов, лежит в основе всех характеристических свойств полимеров. В первую очередь -- способности макромолекул к взаимной ориентации. Правда, надо оговориться, что последнее относится только к линейным полимерам. Существует огромное количество веществ, имеющих большой молекулярный вес (например, белки и другие биологические объекты), но не обладающих специфическими качествами полимеров, поскольку сильные внутримолекулярные взаимодействия мешают их макромолекулам сгибаться. Более того, типичный представитель полимеров -- натуральный каучук, -- будучи «сшитым» с помощью специальных веществ (процесс вулканизации), может превратиться в твердое вещество -- эбонит, не подающий вообще никаких признаков полимерных свойств.

В полимерах эффект Ребиндера проявляется весьма своеобразно. В адсорбционно-активной жидкости возникновение и развитие новой поверхности наблюдается не только при разрушении, а значительно раньше -- еще в процессе деформации полимера, которая сопровождается ориентацией макромолекул.

Рис.2. Внешний вид образцов полиэтилентерефталата, растянутых на воздухе (а) и в ад-сорбционно-активной среде (н-пропаноле) (б).

ребиндер полимер металл прочность

На рис.2 представлены изображения двух образцов лавсана, один из которых был растянут на воздухе, а другой -- в адсорбционно-активной жидкости. Хорошо видно, что в первом случае в образце возникает шейка. Во втором случае пленка не сужается, зато становится молочно-белой и не прозрачной. Причины наблюдающегося побеления становятся понятными при микроскопическом исследовании.

Рис.3. Электронная микрофотография образца полиэтилентерефталата, деформированного в н-пропаноле. (Увел. 1000)

Вместо монолитной прозрачной шейки в полимере образуется уникальная фибриллярно-пористая структура состоящая из нитеобразных агрегатов макромолекул (фибрилл), разделенных микропустотами (порами). В этом случае взаимная ориентация макромолекул достигается не в монолитной шейке, а внутри фибрилл. Поскольку фибриллы разобщены в пространстве, такая структура содержит огромное количество микропустот, которые интенсивно рассеивают свет и придают полимеру молочно-белый цвет. Поры заполняются жидкостью, поэтому гетерогенное строение сохраняется и после снятия деформирующего напряжения. Фибриллярно-пористая структура возникает в особых зонах и по мере деформировании полимера захватывает все больший объем. Анализ микроскопических изображений позволил установить особенности структурных перестроек в полимере, подвергаемом крейзингу (рис.4).

Рис.4. Схематическое изображение отдельных стадий крейзинга-полимера: I --инициирование крейзов, II -- рост крейзов, III -- уширение крейзов.

Зародившись на каком-либо дефекте (неоднородности структуры), которые имеются в изобилии на поверхности любого реального твердого тела, крейзы растут через все сечение растягиваемого полимера в направлении, нормальном оси растягивающего напряжения, сохраняя постоянную и весьма малую (~1 мкм) ширину. В этом смысле они подобны истинным трещинам разрушения. Но когда крейз «перерезает» все поперечное сечение полимера, образец не распадается на отдельные части, а остается единым целым. Это обусловлено тем, что противоположные края такой своеобразной трещины соединены тончайшими ниточками ориентированного полимера (рис.3). Размеры (диаметры) фибриллярных образований, так же как и разделяющих их микропустот, -- 1--10 нм.

Когда фибриллы, соединяющие противоположные стенки крейзов, становятся достаточно длинными, начинается процесс их слияния (при этом площадь поверхности уменьшается, рис.5). Другими словами, полимер претерпевает своеобразный структурный переход от рыхлой структуры к более компактной, состоящей из плотно упакованных агрегатов фибрилл, ко-торые ориентированы в направлении оси растяжения.

Рис.5. Схема, иллюстрирующая коллапс структуры полимера, происходящий при больших зна-чениях деформации в адсорбционно-активной жидкости, на различных стадиях растяжения

Существует метод разделения молекул путем адсорбции из раствора тех из них, которые способны проникать в поры данного размера (молекулярно-ситовый эффект). Поскольку размер пор можно легко регулировать, изменяя степень вытяжки полимера в адсорбционно-активной среде (используя эффект Ребиндера), легко добиться избирательной адсорбции. Важно отметить, что используемые в практике адсорбенты обычно представляют собой некий порошок или гранулят, которым заполняют разного рода емкости (например, сорбент в том же противогазе). С помощью эффекта Ребиндера легко получить пленку или волокно со сквозной нанометрической пористостью. Другими словами, открывается перспектива создать конструкционный материал, обладающий оптимальными механическими свойствами и одновременно являющийся эффективным сорбентом.

С помощью эффекта Ребиндера элементарным путем (простым растяжением полимерной пленки в адсорбционно-активной среде) удается делать пористые полимерные пленки на основе практически любых синтетических полимеров. Размеры пор в таких пленках легко регулировать, изменяя степень деформации полимера, что позволяет изготавливать разделительные мембраны для решения самых разных практических задач.

Эффект Ребиндера в полимерах несет в себе большой прикладной потенциал. Во-первых, простой вытяжкой полимера в адсорбционно-активной жидкости можно получать разнообразные полимерные сорбенты, разделительные мембраны и полимерные изделия, имеющие поперечный рельеф, и, во-вторых, эффект Ребиндера дает химику-технологу универсальный непрерывный метод введения модифицирующих добавок в полимеры.

Список используемых материалов

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. Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 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://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Ребиндера

Размещено на Allbest.ru