ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ
Обычно порошки рассматривают с точки зрения природы вещества дисперсной фазы и размеров частиц.
Рассмотрим только те характеристики вещества, на которых основаны свойства порошков, влияющие на технологию их использования и переработки.
Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т. е. прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешнему воздействию. Следовательно, энергетические затраты при диспергировании тем больше, чем больше когезия. Кроме того, величина когезии определяет такую важную характеристику порошка, как его насыпная масса.
Насыпная масса — масса порошка, который занимает единичный объем при свободном его заполнении, «свободной упаковке частиц».
Чем больше когезионные силы, тем сильнее связь между частицами, тем хаотичнее они распределены по объему формы и тем больше объем свободной упаковки и соответственно меньше насыпная масса. Если когезия мала, то малы силы сцепления, порошок лучше уплотняется под действием силы тяжести и объем свободной упаковки частиц оказывается небольшим.
Адгезия — это явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Например, частички порошка взаимодействуют со стенками емкости, в которой они находятся. Адгезия обусловливает прилипание и удержание частиц на поверхности. Чем больше адгезия, тем сложнее бороться с прилипанием порошка к стенкам технологического оборудования.
Аутогезия — частный случай адгезии — сцепление одинаковых по составу и строению частиц. Адгезионное и аутогезионное взаимодействие направлены перпендикулярно площади контакта. В результате адгезии частицы порошка прижимаются к поверхности, а под действием аутогезии — Друг к другу.
Аутогезия определяется, главным образом, природой и силой межчастичного взаимодействия. Основной вклад в межчастичное взаимодействие вносят
· межмолекулярное притяжение;
· электростатическое отталкивание.
Электростатическое отталкивание связано с появлением заряда поверхности при перемещении частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электростатических взаимодействий особенно велика для полимерных частиц.
Установлено, что для сферических частиц число точек контактов не превышает 12. Чем больше точек соприкосновения частиц, тем больше поверхность контакта и меньше удельная поверхность. Под поверхностью контакта для порошков понимают поверхность двух соприкасающихся частиц, расположенную в зоне действия молекулярных сил (~ 0,1 нм ). Для сферической частицы радиусом r поверхностью контакта считается поверхность ее сегмента с высотой h = 0,1 нм , а доля этой поверхности составляет
где nk — число контактов, d = 2r.
Из приведенной формулы следует, что поверхность контакта увеличивается с уменьшением размера частиц.
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ПОРОШКА (ДИСПЕРСНОСТЬ)
От размера частиц зависит удельная площадь межфазной поверхности SУД. Напомним, что для сферической частицы диаметра d:
а для частиц сложной формы
где β — коэффициент, зависящий от формы частиц ∙ β > 6). Увеличение удельной межфазной поверхности приводит к следующему:
• интенсификации процессов, протекающих на поверхности порошка;
• усилению яркости окраски пигментов;
• повышению качества композиционных материалов;
•улучшению вкусовых качеств пищевых продуктов. Однако с уменьшением размеров частиц порошка усиливаются и его негативные свойства:
• слеживаемость;
• прилипаемость к поверхностям оборудования и тары;
• уменьшение текучести (сыпучести).
Это затрудняет технологические процессы: смешение, дозировку, транспортировку и др.
Начиная с некоторого критического размера частиц (do,кр) сила связи между частицами Fсв становится равной силе тяжести:
где n — число контактов, m — масса частицы; g — ускорение свободного падения.
Дальнейшее уменьшение размеров частиц приводит к самопроизвольному образованию пространственных структур.
Для высокодисперсных порошков критический размер:
где Δр — эффективная плотность частицы в дисперсионной среде (Δр = рчаст - ргаз ≈ рчаcт). При расчете реальных значений do,кр получается величина ~ 100 мкм. Для увлажненных порошков, в которых существенную роль играют капиллярные силы, значение do,кр на порядок больше. Итак, значение do,кр служит критерием агрегируемости порошка.
Высокодисперсные порошки с диаметром частиц d гораздо меньше йо.кр являются связнодисперсными, в них возникает пространственная структура. Если d≥do,кр, то такие порошки являются свободнодисперсными.
СВОЙСТВА ПОРОШКОВ
Характерными свойствами порошков являются способность к течению и распылению, флуидизация (переход в состояние, подобное жидкому) и гранулирование.
СПОСОБНОСТЬ К ТЕЧЕНИЮ И РАСПЫЛЕНИЮ
Порошки, так же как сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия, направленного тангенциально (по касательной) к поверхности.
Способность к течению или движению порошка на поверхности слоя наблюдается при пересыпании продуктов или при пневматическом транспортировании сыпучих продуктов. Такое движение лежит в основе переноса песка, почвы, снега ветром: песчаные и снежные бури, эрозия почв, В отличие от течения сплошных тел течение порошков заключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и в перемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы раздела между ними. Движение может осуществляться тремя способами:
частицы перекатываются по поверхности;
частицы отрываются и падают обратно, т. е. переносятся «прыжками»;
частицы переносятся в состоянии аэрозоля.
В качестве примера рассмотрим движение песка, помещенного толстым слоем на дно аэродинамической трубы. При определенной скорости воздуха частицы, выступающие из слоя песка, начинают перекатываться по цоверхности. Однако, попав в небольшие углубления, они останавливаются. Если увеличить скорость воздуха, некоторое количество частиц перекатится по поверхности и остановится и т. д. Движущиеся песчинки, сталкиваясь с более крупными, выступающими над поверхностью, подскакивают.
При некоторой скорости воздуха, называемой критической, большая часть частиц будет передвигаться прыжками. Из полидисперсного порошка выдувается более мелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и в таком виде перемещается над поверхностью порошка.
Опыты показали, что для порошка с частицами, имеющими радиус больше 50 мкм, критическая скорость «течения» по поверхности пропорциональна √r. Если r < 50 мкм, критическая скорость возрастает при переходе к более мелким частицам благодаря молекулярным силам, действующим между частицами.
Рассмотренный выше характер течения порошков обусловливает зависимость текучести порошков от адгезионных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и передвижение частиц. Учитывая рассмотренную выше зависимость интенсивности межчастичных взаимодействий от размеров частиц, можно сделать важный практический вывод: грубодисперсные порошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные.
Следует также иметь в виду, что для мягких веществ характерна пластическая деформация, в результате которой увеличивается площадь контакта частиц, а значит, уменьшается текучесть.
Важной характеристикой порошка является его распыляемость при пересыпании. Она определяется силами сцепления между частицами, следовательно, увеличивается при возрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности.
Существует несколько эмпирических закономерностей:
• гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гидрофильные;
• порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;
• монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных.
ФЛУИДИЗАЦИЯ (ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ)
Псевдоожижение — это превращение слоя порошка под влиянием восходящего газового потока в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии, напоминающую жидкость — псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью, псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем.
Простейшую псевдоожиженную систему создают в заполненном слоем порошка вертикальном аппарате, через днище которого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ).
При его небольшой скорости W порошок неподвижен. С увеличением W высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критического значения, при котором сила гидравлического сопротивления слоя восходящему потоку становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние.
Если порошок является высокодисперсным, сказывается сила сцепления частиц и наблюдается не равномерное расширение порошка, а образование отдельных агрегатов. Между ними возникают каналы, по которым проходит значительная часть газа. Это агрегативная флуидизация. Так как с увеличением размера частиц гидродинамические силы возрастают, а молекулярные силы ослабевают, можно ожидать, что при некоторой средней степени дисперсности порошка условия для флуидизации будут оптимальными. И действительно, наиболее равномерная и полная флуидизация наблюдается для порошков, радиус которых близок к 20-25 мкм.
Линейная скорость ожижающего агента, при которой порошок переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения или его первой критической скоростью WK. Для мелких частиц (d < 1 мм) WK ~ d2, для крупных (d ≥ 1 мм) WK ~ √d. WK уменьшается с увеличением плотности восходящего потока.