Дисперсные системы и промывочные жидкости - Гидрофобные коллоидные системы

Гидрофобные коллоидные системы

 

Гидрофобные коллоидные системы характеризуются слабым молекулярным взаимодействием частиц дисперсной фазы с дис­персионной средой. Частица дисперсной фазы не имеет сродства с растворителем (не обволакивается прочной гидратной оболоч-

кой), поэтому гидрофобные дисперсные системы неустойчивы. Они могут быть стабилизированы путем создания на частицах дисперсной фазы адсорбционных слоев некоторых поверхностно-активных веществ. Такие вещества получили название стаби­лизаторов.

Адсорбция ПАВ — стабилизатора вызывает изменение свойств поверхности раздела фаз, усиление интенсивности мо­лекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дис­персионной средой. Мицелла стабилизированной гидрофобной системы представляет собой элементарную частицу, состоящую из частицы дисперсной фазы, адсорбционного слоя стабилизато­ра и многослойной гидратной оболочки с ориентированными мо­лекулами дисперсионной среды.

Гидрофобные коллоидные системы стабилизируют и добав­ками к ним некоторых гидрофильных коллоидов, получивших название защитных. Механизм защитного действия сводится к образованию вокруг коллоидной частицы адсорбционной обо­лочки из высокомолекулярного вещества. Защитное действие гидрофильные коллоиды могут оказывать и на грубодисперсные системы — суспензии.

Стабилизированные гидрофобные дисперсные системы объ­единяют большую группу промывочных жидкостей, дисперсная фаза которых представлена продуктами разрушения горных пород. Наряду с адсорбцией на поверхности частиц твердой фазы, главным образом глинистых, происходят следующие явле­ния: 1) ионный обмен (реакции замещения), когда в кристалли­ческой решетке минерала катионы замещаются катионами дис­персионной среды, 2) необменные замещения органических и неорганических катионов и целых групп; 3) присоединения, ког­да образуются новые химические соединения. Все эти процессы происходят одновременно, взаимно накладываясь. Они опреде­ляют механизмы ингибирования (снижения гидрофильности), стабилизации и коллоидной защиты в промывочных жидко­стях— дисперсных системах. Интенсивность всех явлений на по­верхности частичек твердой фазы возрастает с ростом дисперс­ности.

Эффективность применения промывочных жидкостей и тампонажных смесей как дисперсных коллоидных систем связана с их устойчивостью. Различают кинетическую (седиментационную), агрегативную и термодинамическую устойчивости.

Кинетическая устойчивость дисперсных систем обеспечивается двумя противоположными процессами — оседа­нием частиц под действием силы тяжести и броуновским движе­нием, при котором частицы равномерно распределяются по объ­ему. Чем выше степень дисперсности и температура, тем более кинетически устойчива такая система.

Агрегативная устойчивость определяет способность частиц дисперсной фазы не слипаться. Она является результа­том действия между коллоидными частицами двух противоположно направленных сил. С одной стороны действуют силы при­тяжения, под влиянием которых частицы слипаются, с другой стороны проявляются силы отталкивания, препятствующие сближению частиц и их соединению. Силы притяжения носят характер молекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовых сил). Силы отталкивания определяются электрическим взаимо­действием между ионами двойных электрических слоев, окру­жающих каждую частицу. Результирующая этих двух сил и обусловливает большую или меньшую агрегативную устойчи­вость коллоидной системы. Таким образом, агрегативная устой­чивость дисперсных систем определяется наличием, величиной и характером распределения гидратных оболочек на частицах твердой фазы.

Агрегативная устойчивость может быть также обеспечена на­личием на частицах дисперсной фазы адсорбционного слоя по­верхностно-активного вещества, препятствующего слипанию час­тиц при сталкивании.

Термодинамическую устойчивость предопреде­ляет наличие поверхностей раздела в дисперсных системах. Дисперсные промывочные жидкости и тампонажные растворы вследствие сильно развитой межфазной поверхности агрегатив-но неустойчивы и стремятся к равновесному состоянию с мини­мумом свободной энергии. Это практически приводит к разде­лению системы на две сплошные фазы. Устойчивость таких си­стем тем меньше, чем больше запас энергии на межфазной по­верхности. При наличии в системе стабилизаторов, способных адсорбироваться и понижать межфазное натяжение, свободная энергия уменьшается, а устойчивость системы возрастает.

По агрегативному состоянию и механическим свойствам дис­персные системы делятся на две группы: свободно-дисперсные (или бесструктурные) и связно-дисперсные (или структуриро­ванные).

Свободно-дисперсные системы отличаются по­движностью и не оказывают сопротивления сдвигу. Связно-дисперсная система, получившая название геля, отли­чается наличием сплошной пространственной структуры. Связ­но-дисперсная система обладает вязкостью, пластичностью, прочностью, упругостью и рядом других физико-механических характеристик, зависящих от свойств компонентов, ее состав­ляющих, и их количественного соотношения.

Для получения структуры в дисперсной системе наряду с Другими условиями требуется определенная концентрация твер­дой дисперсной фазы. Последняя зависит при прочих равных ус­ловиях от формы частиц дисперсной фазы. Наиболее благопри­ятной для образования структуры дисперсной системы является анизодиаметрическая форма частиц.

Пространственная структура связно-дисперсных систем при механическом воздействии (перемешивании) разрушается. Гель переходит в золь. В состоянии покоя структура восстанавливается. Золь переходит в гель. Процесс, связанный с созданием и  разрушением пространственной структуры, получил название тиксотропии.   Тиксотропия — изотермический  процесс.

Многочисленными опытами установлено, что тиксотропию дисперсных систем обеспечивают следующие факторы: 1) доста­точно большое число частиц дисперсной фазы, что облегчает по­строение пространственной структуры; 2) наличие коллоидной фракции частиц дисперсной фазы, играющей роль клея для грубодисперсных частиц; 3) не слишком высокая прочность струк­туры и ее способность к остаточным деформациям.

Тиксотропность — одна из важнейших характеристик промывочных жидкостей.

Из процессов, протекающих в дисперсных системах и харак­теризующих устойчивость систем, следует назвать коагуля­цию— укрупнение (слипание, слияние) частиц дисперсной фа­зы под действием молекулярных сил сцепления или сил тяже­сти. Образование геля обусловлено явлением коагуляции. Раз­личают коагуляцию гидрофильную и гидрофобную. К образова­нию пространственной структуры дисперсной системы приводит гидрофильная коагуляция. Гидрофобная коагуляция характери­зуется полным расслоением дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, причем частицы твердой фазы, лишенные гидрат-ных оболочек, соединяясь, образуют хлопья, которые выпадают в довольно плотный осадок. Слипание гидрофобных минераль­ных частиц в хлопья называют флокуляцией.

По характеру связей между отдельными элементами все структуры делятся на обратимые — коагуляционно-тиксотропные и необратимые — конденсационно-кристаллизационные. Первые обладают низкой прочностью и легко восстанавливаются во вре­мени под действием ван-дер-ваальсовых сил. Вторые обусловле­ны прочными химическими связями при непосредственном сцеп­лении частиц и разрушаются необратимо. Эти структуры харак­терны для большинства твердеющих тампонажных растворов.

Коагуляция вызывается различными причинами: старением, изменением концентрации дисперсной системы, температуры, ме­ханических воздействий, введением различных веществ. В разве­дочном бурении наибольшее значение имеет коагуляция, возни­кающая при поступлении в промывочную жидкость электроли­тов. При этом концентрация их в системе должна быть доста­точной для сжатия двойного электрического слоя и понижения энергетического барьера, препятствующего слипанию частиц при их столкновении. Минимальная концентрация электролита, при повышении которой начинается коагуляция, называется поро­гом коагуляции.

Процесс коагуляции дисперсных систем делится на скрытую и явную стадии. При скрытой коагуляции частицы постепенно теряют свою устойчивость, невооруженным глазом это явление не обнаруживается. Явная коагуляция характеризуется слипанием и агрегированием частиц под действием молекулярных сил притяжения вплоть до выпадения в осадок.

Дисперсность скоагулированной коллоидной системы можно восстановить, добавляя специальные адсорбирующие вещест­ва — пептизаторы. Процесс восстановления дисперсности в этом случае носит название пептизации. При этом повышается заряд частиц твердой фазы и происходит их диспергирование за счет электростатического отталкивания (ионные пептизаторы). Другие пептизаторы, сольватируя частицы, расклинивают их по трещинам на более мелкие. Пептизатор, адсорбируясь на по­верхности частиц дисперсной фазы, действует как стабилизатор. Вновь образовавшиеся на поверхности частиц твердой фазы адсорбционно-гидратные оболочки и пространственные двойные электрические слои начинают препятствовать сближению твер­дых частиц.

Охлаждение дисперсных систем затормаживает развитие процессов, способствующих пептизации и диспергированию. Очень сильное охлаждение, сопровождающееся замораживани­ем, часто приводит к коагуляции. Причиной ее при заморажива­нии является разрушение гидратной оболочки. При умеренном охлаждении и достаточно высоком содержании минеральных со­лей в жидкой фазе замораживания и коагуляции не происходит и дисперсная система нормально выполняет свои функции.