Состав и строение твердых дисперсных сред

(на примере ПМ и ТО)

Существует несколько определений физического состояния сырьевых материалов, объединяемых терминами «порошки», «сы­пучие или порошковые материалы» и «сыпучие массы». К порош­кам относят, как правило, частицы размером до нескольких со­тен микрометров, а к сыпучим материалам — системы с более крупными частицами.

Дисперсными принято называть системы, состоящие из мел­кораздробленных частиц (дисперсная фаза), распределенных в какой-либо дисперсионной среде (воде, другом растворителе, воздухе). Аэродисперсными системами или аэрозолями называют системы, в которых дисперсионной средой является газ, а диспер­сной фазой — твердые (пыль) или жидкие (туман) частицы. Дис­персная фаза может состоять из частиц разного размера (поли­дисперсная система) или из частиц одинакового размера (моно­дисперсная система). В том и другом случаях система может быть много- или однокомпонентной. Дисперсные системы, диаметр ча­стиц которых не превышает несколько десятков (иногда сотен) микрометров, называют иногда пылевидными. В технике и техно­логии разных отраслей промышленности, в том числе и химиче­ской, принято считать подобные сыпучие системы порошковыми материалами (ПМ) или многокомпонентными порошковыми ма­териалами (МПМ), или многокомпонентными полидисперсными порошковыми материалами (МППМ). Поэтому в дальнейшем под ПМ, МПМ и МППМ будем подразумевать дисперсные системы, состоящие из воздушной (газовой) дисперсионной среды и твер­дой дисперсной фазы, между частицами которой имеется физи­ческий контакт, а характерной особенностью является подвиж­ность частиц относительно друг друга и способность перемещать­ся под действием внешней силы.

В соответствии с этим важнейшими характеристиками ПМ яв­ляются показатели их реологических свойств, определяемые теку­честью (сыпучестью) и сопротивлением сдвигу (пределом теку­чести). Связь между частицами порошков обусловлена силами Ван-Дер-Ваальса, имеющими молекулярную природу; когезионным вза­имодействием; электрическим взаимодействием; капиллярными силами и силами механического сцепления. Прочность порошков определяется характером контактов между частицами и пропор­циональна их числу на единицу площади сечения материала и средней прочности индивидуальных контактов. Число контактов определяется размером частиц и плотностью их упаковки. Аутогезия ПМ в разных технологиях может оказывать как положитель­ное (например, в процессе грануляции), так и отрицательное дей­ствие (например, при хранении, транспортировке и др.).

Внутреннее сопротивление ПМ сдвигу характеризуется трением в контактах между частицами и силами аутогезии, которые необходимо преодолеть для нарушения контактов. В определенном диапазоне давлений оно выражается законом Кулона, согласно которому

τ_п= σ_п tgφ+ с, (4.1)

где τ_п— предельное сдвигающее напряжение, МПа; σ_п — пре дельное нормальное давление МПа; φ — угол внутреннего трения; с — сцепление, МПа.

Рис. 4.1. Графическая интерпретация условия предельного равновесия ПМ:

σ₁, σ₂и σ₃ — соответственно наибольшее, среднее и наименьшее главное напряжения

Согласно этому в координатах (τ_п, σ_п) (рис. 4.1) прямая, проходящая через точки А, В, отсекает отрезок с, соответствующим величине сцепления. С помощью этих прямых, называемых линиями предела текучести, можно оценивать текучесть порошков и определять их исходные параметры, необходимые, например, при расчетах бункеров загрузочных устройств, циклонов и т.п. (рис. 4.2).

На основании представлений о ПМ как о сплошном твердом теле [1] можно считать, что ниже линии предела текучести порошок является жестким телом. Такое мнение позволяет применять к ПМ классические положения механики твердых тел [1, 3]. Для решения инженерных задач огибающую кривую ab обычно заменяют прямой АВ (рис. 4.3).

Место реологии как одного из разделов технической механики сплошной среды показано в табл. 4.1. Упрощенная классификация ПМ, не учитывающая дисперсности и типа контактов между фазами, приведена в табл. 4.2. При определении реологического поведения ПМ данные таблицы позволяют отнести его к той или иной группе: сыпучим, жидко- и твердообразным (в зависимости от концентрации дисперсной фазы) или твердым.

Рис. 4.2. Предельные прямые (кривые) сдвига для шихт: а — связных; б — сыпучих; в — идеально связных

Рис. 4.3. Общий случай огибающей предельных (разрушающих) напряжений при сдвиге (по результатам испытаний образца на разрушение): 1 - простое растяжение; 2 - чистый сдвиг; 3- простое сжатие

При этом один и тот же про­дукт, например, шихта или ее
расплав в зависимости от тем­пературы может быть отнесен к
разным системам. Механическое воздействие (измельчение, компактирование) также в боль­шинстве случаев вызывает переход из одного вида порошковой системы в другую.

Для анализа физико-химических и структурно-механических характеристик ПМ представляет интерес классификация реологических свойств сплошных сред с помощью механических моделей. Возможность такой классификации ПМ обоснована тем, что в процессе технологической обработки (увлажнения, смеше­ния, грануляции и т.п.) МППМ переходит из одного реологиче­ского состояния в другое, часто противоположное по свойствам первому. Так, при подготовке ПМ к экструзии он увлажняется жидким связующим и из сыпучей среды превращается в среду с пластическими свойствами, а при дальнейшей обработке, например, сушке — в твердое (хрупкое) тело.

Таблица 4.1