Ультрадисперсные системы. Хранение и транспортировка ультрадисперсных материалов

УДК 539.21 
 
Д43 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Панов 

Дзидзигури Э.Л., Лёвина В.В. 
Д43  
Ультрадисперсные системы. Хранение и транспортировка 
ультрадисперсных материалов: Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 
2005. – 30 с. 

В учебном пособии рассмотрены термины и определения, используемые 
в настоящее время в отношении дисперсных сред, предложена классификация материалов по размерам дисперсной фазы. Обобщены современные способы хранения и пассивации ультрадисперсных материалов. Рассмотрены 
классификация, маркировка и расфасовка опасных грузов, которая может 
быть применена при транспортировке продукции ультрадисперсных размеров. Аттестация веществ по классам опасности проиллюстрирована экспериментальными результатами. 
Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом по курсу 
«Ультрадисперсные среды». 
Предназначено для студентов МИСиС, обучающихся по специальностям 
070800 «Физико-химия процессов и материалов», 073800 «Наноматериалы», 
110800 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», а 
также может быть использовано студентами других специальностей, преподавателями, аспирантами и слушателями курсов повышения квалификации. 
 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (Технологический  
университет) (МИСиС), 2005 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Классификация дисперсных сред........................................................4 
1.1. Понятие дисперсной системы ......................................................4 
1.2. Классификация дисперсных сред 
по агрегатному состоянию...................................................................4 
1.3. Классификация дисперсных сред 
по размерам дисперсной фазы.............................................................6 
1.4. Классификация дисперсных сред 
по мерности дисперсной фазы ..........................................................11 
2. Пассивация и хранение ультрадисперсных материалов.................12 
2.1. Защита ультрадисперсных материалов от воздействия 
окружающей среды ............................................................................13 
2.1.1. Использование инертных сред ............................................13 
2.1.2. Пассивация ультрадисперсных материалов.......................15 
2.2. Транспортировка ультрадисперсных 
материалов – опасных грузов............................................................18 
2.2.1. Нормативные документы.....................................................18 
2.2.2. Классификация опасных грузов..........................................19 
2.2.3. Маркировка опасных грузов................................................25 
2.2.4. Упаковка опасных грузов ....................................................27 
Библиографический список...................................................................28 
 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД 

1.1. Понятие дисперсной системы 

Существует большое количество терминов, используемых в сфере 
изучения и производства дисперсных систем. В частности, если вещество состоит из морфологических элементов, размеры которых 
находятся в диапазоне 10–8…10–9 м, то для его характеристики используются такие понятия, как наноматериалы, нанокристаллы, наночастицы, нанокомпозиты, нанофазы, наноразмерные среды, а также кластеры, микрокластеры; малые, ультрамалые, коллоидные и 
субколлоидные частицы; ультрадисперсные, высокодисперсные, субмикрокристаллические, ультратонкие порошки. Реже встречаются 
следующие термины: молекулярные агрегации, кристаллические 
кластеры, металлофлюиды; молекулярно-дисперсные, коллоиднодисперсные, микрогетерогенные системы. Кроме того, используются 
также термины коллоидной химии: золь, гель, аэрозоль, аэрогель. 
Для того чтобы разобраться в понятиях и определениях наноразмерных материалов, необходимо рассмотреть всю совокупность дисперсных систем и их классификации. 
Дисперсные системы – образования из двух или большего числа 
фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.  
В дисперсной системе по крайней мере одна из фаз распределена в 
виде мелких частиц в другой, сплошной, фазе. Раздробленную (прерывную) часть дисперсной системы принято называть дисперсной фазой, а нераздробленную (непрерывную) – дисперсионной средой.  
Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих признаков: агрегатные состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды; мерность дисперсной фазы; размер частиц дисперсной фазы. 

1.2. Классификация дисперсных сред 
по агрегатному состоянию 

Первую классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды предложил 
В. Оствальд в 1891 г. Согласно этой классификации возможны девять комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды, находящихся в различных состояниях – в виде газа, жидкости и твердого 
тела. Практически реализуются только восемь комбинаций, так как 

газы в обычных условиях растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему (табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз 

Дисперсная фаза 
Дисперсионная среда 
газовая 
жидкая 
твердая 

Газовая 
– 
Аэрозоли, туманы, 
капли 

Аэрогели, аэрозоли, 

порошки, дымы, 
пыль 

Жидкая 
Пены, газовые 
эмульсии 
Эмульсии, кремы 
Золи, гели, эмульсии, пасты 

Твердая 
Твердые пены, 
фильтры, сорбенты, мембраны 
Твердые эмульсии

Твердые золи, 
сплавы, композиты, 
покрытия, пленки 

Предложенная В. Оствальдом классификация оказалась весьма 
удобной для рассмотрения всего многообразия возможных дисперсных систем и в настоящее время является общепризнанной. 
Золи – седиментационно-устойчивые высокодисперсные системы 
с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. В силу 
сложившейся традиции золи часто называют коллоидными растворами. 
Аэрозоли – дисперсные системы, в газовой дисперсионной среде 
которых находятся во взвешенном состоянии твердые или жидкие 
частицы дисперсной фазы. 
Гели – высокодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, содержащей структурную сетку (каркас), образованную частицами дисперсной фазы. Типичные гели в виде студенистых осадков 
образуются из золей при их коагуляции или в процессе выделения 
новой фазы из пересыщенных растворов. Если дисперсионная среда 
газообразная, то образуются аэрогели. 
Порошки – двухфазные системы, представляющие собой твердые 
частицы дисперсной фазы, распределенные в воздухе или другой газовой среде. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим 
некоторого критического значения, при котором сила межчастичного 
взаимодействия становится соизмерима с их весом. Таким образом, 
порошки представляют собой совокупность находящихся в соприкосновении индивидуальных твердых тел или их агломератов (агре

гатов). Размер каждой частицы, как правило, лежит в пределах от 
0,001 до 1000 мкм. Дисперсную фазу величиной менее 0,001 мкм 
обычно называют кластерами, 1000 мкм и более – гранулами. 
Высокодисперсные порошки с частицами размером менее 1 мкм, 
взвешенные в газовой фазе и участвующие в броуновском движении, 
образуют аэрозоли, пыли и дымы. 
Частица – единица порошка, которую нельзя легко разделить в 
обычных сепарационных процессах. Термин «зерно» – не синоним 
термину «частица», поскольку частица может состоять из нескольких 
зерен (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Соотношение зерна, частицы и агломерата (агрегата): 
А – зерно; В – частица; С – агломерат (агрегат) 

Агломерат (агрегат) – несколько частиц, соединенных в более 
крупные образования. 

1.3. Классификация дисперсных сред 
по размерам дисперсной фазы 

Достаточно широко используется классификация дисперсных 
систем по дисперсности, т.е. по размерам и удельной поверхности 
дисперсной фазы. 
В первом приближении дисперсные системы делятся на грубодисперсные и тонко-(высоко-) дисперсные, последние, по традиции, 
называют также коллоидно-дисперсными, или просто коллоидными, 
системами. В грубодисперсных системах частицы имеют размеры от 
1 мкм и выше, их удельная поверхность не более 1 м2/г; в коллоид

ных – от 1 нм до 1 мкм, удельная поверхность может достигать сотен 
квадратных метров на 1 г. 
Коллоидные системы (коллоидно-дисперсные системы, коллоиды) – предельно высокодисперсные (микрогетерогенные) системы. 
Частицы дисперсной фазы в коллоидной системе – коллоидные частицы – обычно имеют размер от 1 до 100 нм. В газе или жидкости 
они свободно и независимо одна от другой участвуют в интенсивном 
броуновском движении, равномерно заполняя весь объем дисперсионной среды. 
Т. Зидентопф и Р. Зигмонди в 1903 г. предложили классифицировать дисперсные системы в зависимости от возможности их измерения различными видами микроскопов. При этом частицы делятся на 
три типа: с размером до 0,2 мкм, обнаруживаемые оптическим микроскопом, с размером 0,2…0,02 мкм, исследование которых возможно ультрамикроскопом, и не обнаруживаемые ультрамикроскопом с 
размером 0,02…0,05 мкм, названные «нульмерными» частицами.  
В коллоидной химии принята следующая классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы: молекулярно-дисперсные – менее 1 нм, высокодисперсные – 1…100 нм; 
среднедисперсные – 100 нм…10 мкм; грубодисперсные – более 
10 мкм. В этой классификации нередко среднедисперсные системы 
называют микрогетерогенными, а высокодисперсные – ультрамикрогетерогенными. 
Достаточно близки к данной классификации так называемые отраслевые классификации. Для порошков, используемых в металлургии, 
существует несколько типов разделения частиц по дисперсности. 
Наиболее распространен следующий: ультратонкий порошок – размер частиц менее 500 нм; весьма тонкий порошок – 500 нм…10 мкм; 
тонкий порошок – 10…40 мкм; порошок средней крупности – 
40…150 мкм; грубый (крупный) порошок – 150…500 мкм.  
Р.А. Андриевский предлагает следующие интервалы дисперсности порошковых материалов: 1…100 нм – ультрадисперсные (УД) 
порошки; 100 нм…10 мкм – тонкодисперсные; 10…200 мкм – среднедисперсные; 200…1000 мкм – грубодисперсные.  
Для отдельных видов порошков применительно к выпускаемой 
крупнотоннажной промышленной продукции и ее назначению приняты и другие классификации. Так, для железных порошков дисперсность обычно характеризуется четырьмя классами: крупные – 
более 450 мкм, средние – 160…450 мкм, мелкие – менее 160 мкм и 
весьма мелкие – менее 56 мкм. Порошков с размером частиц, изме

ряемых нанометрами, в данной классификации нет. Это, повидимому, связано с тем, что железных порошков данных размеров в 
промышленных масштабах пока выпускается мало. 
При получении порошков в плазме используется упрощенная классификация: наноразмерные (нанокристаллические, ультрадисперсные) – 1…50 нм, высокодисперсные (субмикрокристаллические) – 
50…500 нм, микронные (крупнокристаллические) – 500 нм…10 мкм. 
В данной классификации порошки нанометровых размеров разделяются на две группы, а более крупные объединены в одну. Это может 
быть связано с особенностями гранулометрического состава материалов, получаемых плазменным методом. 
Деление дисперсных систем на классы по линейным размерам во 
всех приведенных классификациях достаточно условно, поскольку в 
большинстве случаев не отражает качественного и количественного 
изменения свойств материалов с уменьшением их протяженности. 
Например, в одной из классификаций в одну группу попали порошки 
с частицами от 1 до 500 нм. Однако очевидно, что свойства системы 
с дисперсной фазой в 5 нм и 450 нм будут различны. 
В настоящее время нет физически обоснованной классификации 
дисперсных систем в области нанометровых размеров. Наиболее 
распространено мнение, что к ультрадисперсным относят системы, 
в которых размер морфологических элементов (частиц, зерен, кристаллитов) менее 100 нм. Этот же класс дисперсных систем часто 
называют нанопорошками, наноразмерными средами, нанокристаллическими материалами. 
Вместе с тем И.Д. Морохов в 1981 г. предложил относить дисперсные системы к классу ультрадисперсных на основе изменения 
физических свойств с уменьшением линейных размеров материала. 
По этому определению к ультрадисперсным относятся среды или 
материалы, которые характеризуются настолько малым размером 
морфологических элементов, что он соизмерим с одним или несколькими фундаментальными физическими свойствами этого вещества: магнитными характеристиками, аномалиями фононного спектра и теплового расширения, изменением параметров кристаллической решетки, особенностями спинодального распада, изменением 
границ существования фаз и др.  
Другими словами, когда величина морфологических элементов в 
веществе совпадает или меньше каких-либо физических параметров, 
имеющих размерность длины, то изменение соответствующих 
свойств определяет принадлежность материала к ультрадисперсным 

системам. Как правило, такие эффекты появляются, когда средний 
размер дисперсной фазы не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо 
наблюдаются, когда ее размер менее 10 нм (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Схематическое изображение вариантов изменения 
физических свойств материала при уменьшении размеров его 
морфологических составляющих 

Таким образом, изменение физических свойств обосновывает деление дисперсных сред на наносистемы и ультрадисперсные системы с 
размером дисперсной фазы менее 10 нм и 10…100 нм соответственно. 
Наноматериалы размером 1…10 нм в последнее время обычно называют наночастицами. Их отличают от ультрадисперсных частиц, 
составляющих ультрадисперсные системы, и кластеров.  
Наночастица – это находящийся в среде из легких атомов объект, состоящий из 101…103 атомов, имеющий диаметр 1…10 нм, с 
формой, близкой к сферической, в котором соотношение между количествами структурных единиц на поверхности и в объеме равно 
или больше единицы. 
Нижняя размерная граница существования наночастиц определяется переходом от кристаллической фазы к квазимолекулярной. Границы этого перехода весьма размыты. Нередко данные частицы 
имеют икосаэдрическое строение – симметрию пятого порядка. 
Столь малые образования принято называть кластерами. 

Кластеры – частицы упорядоченного строения, имеющие, как 
правило, 38–40, а иногда и более атомов вещества (например, Au55, 
Pt309, серия палладиевых кластеров, состоящих из 500–2000 атомов). 
Верхняя размерная граница наночастиц определяется чаще всего 
соотношением числа поверхностных и внутренних атомов. В нанохимии критерием отнесения объекта к наночастицам (а, например, не 
к ультрадисперсным) обычно считается примерное равенство количества поверхностных и объемных атомов. В зависимости от формы 
наночастицы этому критерию соответствует полное число атомов 
103–105. 
Нанохимию можно определить как область химии, исследующую 
получение, физико-химические свойства и реакционную способность 
частиц и сформированных из них ансамблей, которые, по крайней 
мере в одном измерении, имеют размер менее 10 нм.  
Таким образом, при движении вдоль оси размеров от единичного 
атома до массивного состояния дисперсная система проходит ряд 
промежуточных стадий, включающих кластерообразование, формирование наночастиц и ультрадисперсных сред (рис. 1.3). 

 

Рис. 1.3. Классификация дисперсных материалов по размерам 
дисперсной фазы 

В заключение этого параграфа необходимо остановиться еще на 
одном вопросе. 
Ряд исследователей разделяют такие понятия, как ультрадисперсные порошки (или наночастицы) и массивные твердые вещества с 
нанокристаллической структурой. В последнем случае в едином по 
составу материале теми или иными, обычно физическими, воздействиями, нарушена гомогенность и имеются области наноразмеров, 
разделенные прослойками иной структуры и часто иного состава.  
Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, 
нанокомпозитными) материалами принято понимать такие материа

лы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном 
измерении. 
Строго говоря, нанокристаллические материалы не попадают ни 
под одно из определений дисперсных систем, поскольку в них нет 
дисперсной фазы и дисперсионной среды. В действительности между дисперсными средами и массивными материалами с дисперсной 
структурой много общего. Если представить ультрадисперсные порошки или наночастицы и массивные твердые вещества с нанокристаллической структурой как два типа ансамбля малых частиц, то в 
первом случае они изолированы друг от друга или слабо взаимодействуют между собой, а во втором – имеют жесткую связь. Но в обоих 
материалах специфика физических свойств определяется малыми 
размерами их морфологических составляющих.  

1.4. Классификация дисперсных сред 
по мерности дисперсной фазы 

Помимо агрегатного состояния и размеров дисперсной фазы существует третий признак, по которому классифицируют дисперсные 
системы. Этот признак обусловлен мерностью дисперсной фазы, которую могут составлять покрытия, пленки, мембраны, нити, капилляры, различные волокна, поры. В связи с этим классификация дисперсных систем по мерности учитывает геометрию или число измерений характерных размеров дисперсной фазы.  
Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность. Дисперсность – величина, обратная размеру 
частиц дисперсной фазы. 
Характерные размеры и дисперсность трехмерных тел определяются в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1.4,а). 
Дисперсность двухмерных тел характеризуется двумя размерами, 
которые определяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1.4,б), а третий размер L на дисперсность не влияет. В 
случае одномерных тел только один размер а определяет дисперсность (рис. 1.4,в). 

Рис. 1.4. Трехмерная (а), двухмерная (б) и одномерная (в) 
дисперсная фаза 

Общепринято, что к ультрадисперсным (и нано-) системам относятся намеренно сконструированные или природные материалы, в 
которых хотя бы один из трех размеров лежит в интервале 
10…100 нм (менее 10 нм). Соответственно к одномерным материалам относятся пленки, мембраны, покрытия, толщина которых измеряется в нанометрах, а два других измерения имеют макроскопические размеры. Двухмерные системы составляют волокна, нити, капилляры, которые имеют макродлину, а два других размера измеряются в нанометрах. И наконец, ультрадисперсные порошки и наночастицы относятся к трехмерным дисперсным системам.  

2. ПАССИВАЦИЯ И ХРАНЕНИЕ 
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Ультрадисперсные материалы представляют собой высокоактивные материалы с сильно развитой поверхностью, что обусловливает 
протекание всевозможных, часто весьма нежелательных самопроизвольных процессов. Высокая химическая активность к взаимодействию с окружающей средой – основная проблема для их хранения и 
транспортировки потребителю.  
Взаимодействие с окружающей средой массивных УД-материалов 
может быть предотвращено методами, применяемыми при защите от 
коррозии обычных крупнокристаллических веществ. Что касается 
УД-порошков, то условия хранения могут сильно изменять их технологические свойства. Например, содержание кислорода в УДпорошках металлов существенно зависит от времени хранения и