Аполярные собиратели

σ_1,3 - σ_2,3 + σ_1,2*cosθ = 0 (2)

Решая эти уравнения совместно найдем:

W_a = σ_1,2*(1 – cosθ).

Полученное уравнение очень удобно для пользования, так как содержит в своем составе лишь одно значение поверхностной энергии на поверхности раздела углерод-масло (масло-вода), которое легко определимо.

Для сопротивления с работой  адгезии целесообразно рассматривать  и работу когезии W_к, если, например, сопоставляются две жидкости. Как известно, работа когезии численно равна 2σ, где σ – поверхностная энергия, имеющаяся на границе данной жидкости с окружающей ее средой. В этом случае как бы образуются две новые, совершенно одинаковые поверхности раздела. Разность величин работ адгезии и когезии W_a – W_k принято называть коэффициентом растекания К, значение которого характеризует строение жидкости и ориентацию ее частиц на поверхности другой жидкости. Если, например, W_k относится к органической жидкости, а W_a к той же жидкости, находящейся в соприкосновению с водой, то коэффициент растекания характеризует степень ассиметричности молекул органической жидкости, посколько установлено, что соединения с полярной группой показывает более высокие значения К (табл.1).

Таблица 1.

Коэффициент растекания К для различных жидкостей соприкасающихся с водой.

Ввиду того, что ориентация гетерополярных молекул на поверхности воды происходит так, что полярные группы погружены в воду, то при разъединении фаз полярные группы органического соединения должны быть оторваны от полярных групп воды, что, естественно, требует повышенной затраты энергии, т.е. увеличивает значение W_a.

Все жидкости, имеющие незначительный коэффициент растекания (н-гексан, н-окстан, бензол, четыреххлористый углерод), не имеют дипольных моментов, в то время как другие жидкости с высоким значением коэффициента растекания по воде имеют гетерополярную структуру или ясно выраженную ассиметрично построенную молекулу и, следовательно, характеризуются достаточно высокими значениями дипольных моментов. Это обстоятельство, по-видимому, представляет интерес в связи с проблемой совместного действия аполярных и гетерополярных собирателей при флотации[2].

Поверхностное натяжение  на границе с водой в пределах гомологического ряда углеводородов изменяется мало, поэтому для них мало будет изменяться и работа когезии W_к. Растекание на нем будет определяться в основном величиной W_a.

Таблица 2.

Избирательное смачивание минералов  аполярными собирателями (бензол)

Величина адгезии двух любых фаз равна нулю. Следовательно, практически аполярный собиратель может закрепиться почти на всех минералах, обладающих высоким средством к воде. Так, даже для таких типичных гидрофильных минералов, как слюда (калиевый алюмосиликат, калиево-магниевый алюмосиликат и другие), малахит и барит, вода не может полностью вытеснить углеводород с поверхности этих минералов, так же как и углеводород не может полностью вытеснить воду с поверхности типичных природно-гидрофобных минералов (молибденит, графит, сера). Для наиболее гидрофобного вещества – парафина - величина краевого угла смачивания водой на границе с воздухом не превышает 105^о, но не достигает 180^о. Это хорошо вино из в приведенных в таблице 2 величин краевых углов смачивания для ряда минералов, измеренных при нанесении капель бензола в воде и капель воды в бензоле[2].

Адгезия может быть охарактеризована также и величиной теплового эффекта, определяемого при измерении (погружении) данного твердого вещества в жидкость. В табл. 3 приведены данные, характеризующие по тепловому эффекту работу адгезии для порошков различных минералов.

Таблица 3.

Работа адгезии (в эрг/см²) для порошков различных минералов при их погружении в воду и органические жидкости.

Из таблицы 3 следует, что работа адгезии наиболее значительна при смачивание полярными жидкостями, причем даже графит, который отличается ясно выраженной природной гидрофобностью показывает по отношению к воде значительную энергию адгезии, чем по отношению к типичному углеводороду – бензолу. Порошок силиката стронция, имеющий по отношению к воде наибольшую энергию адгезии и отличающийся наибольшей гидрофильностью из всех приведенных в таблице 6 веществ, вследствие сильного поверхностного электрического поля, характерного для подобного рода соединений, дает по отношению к бензолу также наиболее высокую величину работы адгезии.

То обстоятельство, что  данные о работе адгезии для неполярного  минерала – графита – не обнаруживают значительных различий независимо от того, погружен графит в полярную или  неполярную жидкость, связано с тем, что в случае неполярных жидкостей  между поверхностью неполярного  твердого тела и жидкостью (или между  двумя соответствующими жидкостями) действуют дисперсные силы; если же твёрдое тело по своей природе полярно, то дополнительно действуют еще силы, обуславливающие ориентационный, а также индукционный эффекты[3].

Надо сказать, что все  приведенные раннее данные по  работе адгезии (найденные экспериментально по тепловому эффекту при иммерсии или вычисленные по измерениям соответствующих краевых углов) характеризуют энергию (работу) адгезии, определенную в статически равновесных условиях. Между тем данные полученные в динамических условиях, значительно отличаются по своей величине от равновесных. Ниже приведены данные по определению работы адгезии жидкости к твердому телу, полученные Б.В. Дерягиным с применением разработанного Б.В. Дерягиным маятникового метода.

Таблица 4.

Работа адгезии жидкости к твердому телу по данным полученным динамическим и статическим методам (в эрг/см²) составляет:

Как видно, во всех случаях  имеется весьма значительная разница  в величинах работы адгезии, найденных в статических и динамических условиях, причем величина W в динамических условиях намного превосходит величину W в статических условиях.

Так при увеличении скорости маятника с 62 до 112 см/сек (т.е. не менее  чем в два раза) величина W для системы вода-парафины увеличилась с 105 до 543 эрг/см², т.е. более чем в 3,2 раза

Значительно более высокое  значение работы адгезии, найденное  в динамических условиях, по сравнению  с W, определяемой в статических условиях, хорошо объясняется с позиции электрической теории адгезии, развитой в работах Дерягина. Мысль об образовании двойного электрического слоя при соприкосновении твердых тел – проводников и диэлектриков – была высказана еще Гельмгольцем. С уменьшением скорости отрыва разряд успевает в основном закончиться при меньшем разведении поверхностей; вследствие этого при отрыве поглощается меньшее количество работы, чем и объясняется уменьшение работы отрыва при снижение скорости последнего[2].

Приведенные данные свидетельствуют о том, что аполярные реагенты могут как бы увеличивать прочность своего закрепления на минеральных частицах, если они в условиях флотации испытывают механические воздействия других частиц или потоков флотационной пульпы.

Существенно отметить также  и то, что величина адгезии зависит от природы и строения данной жидкости, подкладки и температуры. Установлено, что адгезия неизменно увеличивается при повышении молекулярного веса исследуемого соединения в данном гомологическом ряду; вместе с тем адгезия снижается при повышении температуры (для жидких адгезивов). Отмечается, что практически почти каждый материал в соответствующих условия может оказаться адгезивом. Так, известно, что если заморозить пленку воды, соединяющие две металлические или стеклянные пластинки, можно получить весьма прочное «склеивание» этих пластинок. Согласно мнению многих авторов, необходимым условием адгезии является смачивание подкладки адгезионном, находящимся в жидком состоянии. Если краевой угол отличен от нуля и происходит неполное смачивание, но достигнут полный контакт адгезива с подкладкой, то нет никаких оснований сомневаться в том, что работа адгезии и давление прилипания и в этих условиях должны иметь достаточно ощутимую величину.

Ввиду неоднородности поверхности  минералов, тонкодисперсные капельки аполярного собирателя будут прежде всего закрепляться на наименее гидратированных участках поверхности. Применение однородных тонкодисперсных эмульсий, таким образом, целесообразно не только с точки зрения экономного расхода реагента и увеличения числа столкновений частиц с капельками реагента, но и в максимальной степени обеспечивает использование для закрепления реагента всех наиболее благоприятных участков минеральной поверхности.

Также важной особенностью минеральных масел является маслянистость. Маслянистостью минеральных масел называют способность этих масел обуславливать малое сопротивление тангенциальным силам сдвига и высокое сопротивление слоев масла на твердой поверхности сближению их под действием нормальной нагрузки, что является весьма важным для хорошей смазки. С.С. Наметкин характеризует маслянистость как «прилипаемость смазки к смазываемой поверхности». Некоторое время маслянистость смазочных масле не имела научного объяснения. Так как, однако, повышенная маслянистость масел связана с их повышенной адгезией по отношению к твердой поверхности, это свойство масел приобретает большой интерес, тем более, что два масла, более или менее одинаково вязкие, могут обладать различной маслянистостью.

Основой минеральных масел  являются углеводороды, т.е. неполярные соединения. Их неполярность представляет присущую им всем общую особенность. С учетом этого обстоятельства становится понятным, что различие в смазочных  свойствах масел (т.е. в их маслянистости) необходимо связывать не с различием их углеводородного состава, а с присутствием в маслах других соединений. К таким поверхностно-активным гетерополярным соединениям относятся нафтеновые и жирные кислоты, асфальто-смолистые вещества и сернистые соединения. Значение указанных соединений ясно доказывается тем, что тщательно очищенные от них масла (например, вазелиновое белое масло) является весьма малопригодным в качестве смазочного средства ввиду крайне слабой маслянистости. Таким образом, если говорить о смазывающих свойствах масел по отношению к поверхности минерала, то можно утверждать, что эти свойства целиком обязаны наличию в минеральных маслах соединений гетерополярного строения, способных адсорбироваться из масляной фазы на поверхности металла. К таким соединениям относятся перечисленные выше органические кислоты, сернистые соединения и соединения из группы асфальто-смолистых веществ. По-видимому, наиболее эффективными из них являются те, которые способны закрепляться на поверхности металла путем химической адсорбции. Значение процессов адсорбции гетерополярных соединений для смазки и роль этих процессов в обеспечение высокой маслянистости впервые были исследованы Л.Г. Гуревичем, который обратил свое внимание на существование прямой связи между смазывающими свойствами масел и наличием в них веществ, способных адсорбироваться поверхностью металла.