Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ПОРОШКИ

ПОРОШКИ, двухфазные системы, представляющие собой твердые частицы дисперсной фазы, распределенные в воздухе или др. газовой среде. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин "порошки" применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим нек-рого критич. значения, при к-ром сила межчастичного взаимод. становится соизмеримой с их весом. Наиб. распространение имеют порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм. Уд. межфазная пов-сть таких порошков меняется в широких пределах - от неск. м2/г (аэросил, сажа) до долей м2/г (мелкие пески). Высокодисперсные порошки с частицами размером < 1 мкм, взвешенными в газовой фазе и участвующими в броуновском движении, образуют аэрозоли (пыли, дымы).

Структурно-реологические свойства. Наряду с развитой межфазной пов-стью, обусловливающей мн. св-ва порошков как высокодисперсных систем, важнейшее значение имеют структурно-реологич. св-ва: способность к необратимым сдвиговым деформациям (течению), образование обратимо разрушаемых контактов между частицами (структурирование) и др. Осн. реологич. характеристики порошков-предельное напряжение сдвига и эффективная вязкость. В рамках механики сплошных сред, начиная с работы К. Кулона (1773) до 2-й пол. 20 в., порошки рассматривались как пластич. тела и на основе теории пластичности были сформулированы условия мех. деформации порошков. В частности, сдвиговая деформация порошков наступает при предельном напряжении сдвига т, обусловленном двумя факторами: притяжением частиц порошков друг к другу (аутогезией) и трением между частицами порошков (обычно наз. внутренним трением, но не связанным с диссипацией энергии деформирования). Согласно условию Мора-Кулона,

4014-4.jpg

где С-сопротивление деформированию, связанное с аутоге-зией, a-угол внутр. трения, sн - нормальное напряжение (tg a · sн- сопротивление, обусловленное внутр. трением). Аутогезия определяется гл. обр. природой и силой межчастичного взаимодействия (см. Адгезия). Осн. вклад в межчастичные взаимод. в порошках дают межмолекулярные взаимодействия и электростатич. отталкивание, связанное с заряжением пов-сти при перемещениях частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электростатич. взаимодействия особенно важна при взаимодействии полимерных частиц.

Условие Кулона - Мора позволяет сформулировать критерий для различения "связных" порошков, в к-рых аутогезия велика и частицы сцеплены друг с другом, т.е. система обладает нек-рой структурой, и "несвязных" порошков, в к-рых сопротивление сдвигу обусловлено лишь трением между частицами. Критерий связности имеет вид: sн >> С. Согласно модели, разработанной П. А. Ребиндером, Е. Д. Щукиным и Л. Я. Марголис в 1964, аутогезия частиц монодисперсного порошка приводит к возникновению пористой структуры, образованной цепочками из п частиц, вытянутыми в трех взаимно перпендикулярных направлениях, причем п связано с пористостью Е структуры соотношением:

4014-5.jpg

В рамках этой модели сопротивление деформированию С соответствует предельному напряжению сдвига пористой структуры и м. б. определено выражением:

4014-6.jpg

где а-коэф. порядка единицы, характеризующий геометрию упаковки частиц, Fсв-сила связи между частицами, п число связей в единице объема, f (f) - ф-ция, определяющая объемную концентрацию f частиц (число частиц в единице объема), d-характерный размер частиц. Учитывая, что структура порошков возникает при условии, когда вес частицы

4014-7.jpg

(m-масса частицы, g-ускорение своб. падения),а также полагая, что для в-ва плотностью r m ~ d3, можно выразить критерий связности частиц в порошках как критич размер dкр (Н. Б Урьев, 1975):

4014-8.jpg

Если между частицами действуют силы мол. притяжения, dкр изменяется от 100 до 500 мкм; для увлажненных порошков, в к-рых существенны капиллярные силы, значения dкр на порядок больше. Связными порошками являются высокодисперсные системы с диаметром частиц d4014-9.jpgdкр, несвязными порошками-грубо-дисперсные системы. Значение dкр служит также критерием агрегируемости частиц порошков.

Для связных порошков разрушение, вызываемое растягивающими усилиями, целиком определяется аутогезией. Прочность на разрыв тр (предельно допустимое растяжение) зависит от объемного содержания частиц (или пористости порошков) и м.б рассчитана на основе тех или иных предположений о структуре порошков. Согласно модели Ребиндера, Щукина и Марголис, при плотной кубич. упаковке сферич. частиц пористость структуры Е = 0,52 и прочность на разрыв имеет макс. значение тмакс. Для сыпучих материалов с Е < 0,52 прочность тр м. б рассчитана по ф-ле:

4014-10.jpg

Для порошков с пористостью Е > 0.52 можно определить тр на основе предположения о случайной упаковке частиц. Наиб прочностью тмакс обладают порошки с миним. пористостью Емин ! 0,39-0,41 (после виброуплотнения Емин может достигать 0,36-0,37). Зависимость тр от Е выражается соотношением:

4014-11.jpg

Структурно-реологич. характеристики порошков можно регулировать в широких пределах, модифицируя межфазную пов-сть добавками ПАВ, изменением формы частиц и т.п.

Во 2-й пол. 20 в. развитие новых технологий переработки порошковых материалов привело к необходимости изучения поведения порошков в динамич. условиях (под воздействием вибрации, в потоке газа, при псевдоожижении и др.). Особенность динамич. поведения порошков-течение при сдвиговом напряжении, меньшем предельного, причем, как правило, порошок течет как неньютоновская жидкость (см. Реология). Агрегация частиц рассматривается как одна из причин неньютоновского поведения. Эффективная вязкость hэфф агрегированного порошка зависит от безразмерного параметра т/(h4014-12.jpg), где h- вязкость неструктурированного порошка, заполняющего пространство между агрегатами, 4014-13.jpg-скорость сдвига. Соответствующая зависимость выражается степенной ф-цией:

4014-14.jpg

Показатель степени n-эмпирич. параметр, для большинства порошков принимает значения в интервале от 0,5 до 0,7.

Вязкость h можно определить, рассматривая порошок как систему твердых, не связанных сферич. частиц. В рамках механики мн. частиц установлено, что существует миним. вязкость (наиб. текучесть) порошков как ф-ция параметров внеш. воздействия (скорости подачи газа, амплитуды или частоты вибрации). Эти параметры являются оптимальными для мн. технол. процессов (напр., для перемешивания).

Порошкообразные материалы. В технике и технологии порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм-минер. вяжущие (цементы, известь, гипс и т.п.), удобрения, пожаротушащие средства, твердые компоненты в произ-ве керамики, метал-локерамич. изделий, наполнители для пластмасс, резин и др., а также пищ. продукты (мука, сахарная пудра, какао-порошок), лек. и косметич. ср-ва. Важнейшие технол. св-ва таких материалов - сыпучесть (величина, обратная вязкости), уплотняемость (определяется кинетикой изменения объема порошка под действием динамич. нагрузки и достигаемой объемной плотностью), слеживаемость в процессе хранения (образование структур с прочностью, превышающей первоначальную). Слеживаемость порошков может быть следствием неск. факторов. Р-римые в воде порошки (напр., минер. удобрения) проявляют склонность к слеживанию при увлажнении и последующем высушивании, т. к. по достижении пересыщения р-ра выделяются кристаллы, к-рые образуют "мостики срастания" между частицами порошков (кристаллизац. структуры; см Структурообразование). Минер. вяжущие слеживаются при длит. хранении на воздухе вследствие увлажнения, т. к образующиеся продукты гидратации менее растворимы в воде, чем исходные порошки, и при пересыщении выделяются кристаллы - мостики срастания.

Слеживаемость порошков при хранении в емкости может вызываться увеличением площади контакта между частицами в результате их пластич. деформации под действием веса вышележащих слоев. Для предотвращения слеживания гигроскопичные порошки гидрофобизуют, модифицируя пов-сть частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев вводя твердые высоко дисперсные нерастворимые в воде добавки. Кроме того, особое внимание уделяют герметизации емкостей для хранения порошков, ограничивают сроки хранения и т.п.

Лит. Зимон А Д , Андрианов Е И., Аутогезия сыпучих материалов, М., 1978; Урьев Н Б., Высококонцентрированные дисперсные системы. М., 1980; его же. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов, М., 1988; Механика гранулированных сред. Теория быстрых движений, пер с англ., М., 1985 См. также лит при ст Физико-химическая механика.

Н Б Урьев

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн