1. Предложите наиболее эффективный с точки зрения получения ультрадисперсных частиц способ механоактивации минерального кварцевого сырья.

Наиболее эффективным является мокрое измельчение природных или техногенных материалов в условиях высокой концентрации твердой фазы, повышенной температуры и предельного разжижения. Эти условия, с одной стороны, способствуют "наработке" в системе определенного количества частиц коллоидной фракции (золь, получаемый диспергированием), а с другой - обеспечивают механохимическую активацию частиц основной твердой фазы. В отличие от известных технологических решений, где аналогичные компоненты получают предварительно, а затем вводят в суспензии или массы, в данном случае они образуются непосредственно в процессе получения тонкодисперсного активированного материала. Благодаря этому обеспечивается лучшая "совместимость" частиц различного уровня дисперсности (сверхтонких – из дисперсионной среды и частиц основного размера), что в итоге обеспечивает улучшенные структуру и свойства материалов из полученных материалов.

2. Какой качественный минералогический состав порошка будет наблюдаться при диспергировании кварца до S_уд ~ 600–700 м²/кг

Минералогический состав будет представлен высоко температурной и низкотемпературной полиморфной модификацией кварца. Причем содержание высокотемпературной модификации увеличивается при увеличении времени помола и дисперсности исходного материала.

3. Каково оптимальное количество нанодисперсного вещества в полидисперсной смеси, предназначенной для создания монолитной (максимально плотной) структуры? Дайте расчетное или теоретическое обоснование.

Современные методы получения строительных материалов, которые представляют собой способы переработки полидисперсных смесей тонкого помола, редко позволяют получать изделия с плотностью более 95-98% от теоретической. Таким образом, пористость составляет 2-5%. Значит, количество вводимой нанодисперсной добавки должно составлять 2 – 5%. Реально её должно быть ещё больше, так как будет осуществляться переход в более плотные кристаллические разновидности кварца.

4. Какие механизмы взаимодействия будут реализованы при твердении полидисперсной системы кварца при наличии в ней нанодисперсного кремнезема в оптимальном количестве.

Сначала полимеризационный механизм, потом поликонденсационный, который сопровождается переходом силанольной связи в силоксановую с высвобождением воды:

º Si – OH + HO – Si º ---(t)---> º Si – O – Si º + H2O

5. Как высота потенциального барьера и агрегативная устойчивость нанодисперсий кварца (размеры частиц 10–100 нм) зависит от: а) диаметра частиц; б) потенциала поверхности частиц; в) ионной силы дисперсионной среды (величины дебаевского радиуса)?

По данным Чураева Н.В. и Соболева В.Д., устойчивость нанодисперсий кварца повышается с увеличением размеров частиц, с повышением потенциала поверхности, уменьшением Ионой силы раствора (с увеличением дебаевского радиусав)

6. Как высота потенциального барьера и агрегативная устойчивость нанодисперсий зависит от природы дисперсной фазы при одинаковых размерах (0,1 мкм) и форме частиц, заряде поверхности, ионной силе раствора. Какой параметр в этом случае можно использовать для сравнения энергии взаимодействия частиц? Сравните агрегативную устойчивость дисперсий SiO₂ и Al2O₃.

Суммарная энергия взаимодействия зависит от величины энергии притяжения и силы отталкивания: U=(U_e + U_s)*U_m

Энергия притяжения зависит от константы Гамакера А (при прочих равных условиях). Она учитывает природу взаимодействующих тел. Соответственно, чем больше константа тем выше силы притяжения между частицами. По литературным данным, константа Гамакера для Al₂O₃ больше чем для SiO₂. Потому больший потенциальный барьер и большую агрегативную устойчивость должна иметь суспензия оксида кремния.

Энергию вза­имодействия сферических частиц с низким значением электрического потенциала φ_δ при условии, что их радиус r значительно больше толщины диффузного слоя 1/х, можно найти по следующей формуле (1)

В соответствии с теорией ДЛФО соотношения определяют поведение дисперсных систем. Их устой­чивость или скорость коагуляции зависят от знака и значения общей потенциальной энергии взаимодействия частиц. Положи­тельная энергия отталкивания U₃(h) с увеличением расстояния уменьшается по экспоненциальному закону, а отрицательная энергия притяжения U_M(h) обратно пропорциональна квадрату расстояния. В результате на малых расстояниях (при φ_δ→0, Uэ→const, U_K→-∞) и больших расстояниях (экс­понента убывает значительно быстрее, чем степенная функция) между частицами преобладает энергия притяжения, а на сред­них расстояниях – энергия электростатического отталкивания. Первичный минимум I отвечает непосредственному слипанию частиц, а вторичный минимум II – их притяжению через про­слойку среды. Максимум, соответствующий средним расстоя­ниям, характеризует потенциальный барьер, препятствующий слипанию частиц. Силы взаимодействия могут распространять­ся на расстояния до сотен нанометров, максимальное значение энергии достигает 10–2 Дж/м² и более. Увеличению потенци­ального барьера способствует poet потенциала на поверхности частиц φδ в области его малых значений. Эксперимен­ты показывают, что уже при ф_δ≈20 мВ возникает потенциаль­ный барьер, обеспечивающий агрегативную устойчивость дисперсной системы. Потенциальный барьер увеличивается с уменьшением константы Гамакера.