粉体力学4-2

概述
1、粉体在空气中具有强烈的团聚性，根源？ 2、制粒过程比较复杂，细粒之间由各种作用力 粘合在一起而形成颗粒。 3、范德华力的有效距离可达50nm，其次粉体在 空气中是自然荷电的，产生静电引力。粉体在空 气中极容易受潮吸水，产生液体力，。
概述
粉体的团聚
主要是由液
桥力造成 的，在干燥 条件下是由 范德华力 引起的。
• 液体中颗粒的分散——超声调控
–超声调控是把需要处理的工业悬浮液置于超声场 中，控制恰当的超声频率及作用时间，使颗粒充分 分散。 –超声分散主要是由超声频率和颗粒粒度的相互关 系决定的。其作用主要在两个方面：
•空化效应产生的强烈振动波； •对超声波的吸收而产生的各组分的共振效应。
• 液体中颗粒的团聚与分散——机械调控
粉体的堆积物性不是固定的，它会随着粉体颗 粒的大小、颗粒间的相互作用，以及填充条件的变 化而变化。
二、粉体的堆积密度 （一）粉体密度的概念
• 粉体的密度系指单位体积粉体的质量。 • 由于粉体的颗粒内部和颗粒间存在空隙， 粉体的体积具有不同的含义。 • 粉体的密度根据所指的体积不同分为 真密度、颗粒密度、松密度三种。
– 改善颗粒的流动性、避免粉尘、易于包装等 – 如混合操作等的困难
• 分散 颗粒间互不相干自由运动的状态。
– 遍及化工、冶金、食品、医药、涂料、造纸、建筑及 材料等领域。
– 分散及分散稳定性直接影响涂料、染料、油墨和化妆 品等的质量和性能；
– 复合材料及纳米材料制备的成败与超微粉体的分散稳 定性紧密相连。
1.4.6 颗粒表面不平引起的机械咬合力 – 两个颗粒间的引力或颗粒与固体平面的引力可
以用高灵敏度的弹簧秤或天平测量。
– 测量颗粒与平面间的引力还可以用离心法。
– 颗粒间的引力还可以借测量粉末层的破断力，
根据其所含接触点的数目进行估算。
1.5 颗粒间的团聚性
1.5.1 概 述
1.5.2 团聚机理 1.5.3 聚团强度
电分子引 力半径
– 吸附水和薄膜水合起来即组成分子结合水，在粉 体力学上可视作为颗粒的外壳，在外力的作用下， 它和颗粒一起变形，并且分子水膜使颗粒彼此粘 结。
粉体的润湿特性
• 毛细管水：
– 当粉料继续被润湿到超过最大分 子结合水分时，就形成了毛细管 水。它是颗粒的电分子引力作用 范围以外的水分。毛细管水分能 够将颗粒拉紧靠拢，此乃由于在 毛细管内呈负压之故。
– 机械分散所用机械力（流体的剪切力及压应力） 大于颗粒间的作用力 – 通常机械力是由高速旋转的叶轮或高速气流喷射 及冲击作用所引起的气体湍流运动所造成的
• 较易实现
• 有可能重新粘结聚团 • 可能导致脆性颗粒被粉碎
• 机械设备磨损后分散效果下降
• 空气中颗粒的分散——干燥分散
– 毛细力往往是分子间范德华力的十几倍或者几十 倍，在潮湿空气中，颗粒间形成的液桥是颗粒聚 团的主要原因。因此，杜绝液桥的产生或破坏已 形成的液桥是保证颗粒分散的主要手段之一。 – 在生产过程中，常采用加温干燥处理。例如，矿 粒在静电分选前往往加温至200℃左右以除去水 分，保证物料的松散。
粉体的润湿特性
• 吸附水：
– 粉体不仅比表面积较大，且其颗粒表面具有过 剩的能量。颗粒表面带有一定的电荷，在颗粒 表面的空间形成电场，在电场范围内的极化水 分子和水化阳离子被吸附于颗粒表面。水分子 由于具有偶极性而中和了上述电荷，颗粒表面 的过剩表面能将由于放出润湿热而减小，结果 在颗粒表面形成一吸附水层。
颗粒的团聚和分散
• 空气中颗粒的团聚与分散——表面改性
– 采用物理或化学方法对颗粒进行处理，有目的地 改变其表面物理化学性质的技术，提高其分散性。 – 不同改性剂不同使用量分散效果也不一样。
颗粒的团聚和分散
• 空气中颗粒的团聚与分散——静电分散
– 对于同质颗粒，由于表面带点相同，静电力反而 排斥，因此，可以用静电力进行颗粒分散，问题 的关键是如何使颗粒群充分带电。 – 采用接触带电、感应带电等方式可使颗粒带电 – 最有效的方法是电晕带电，使连续供给的颗粒群 通过电晕放电形成使颗粒带电。
• 液体中颗粒的分散——介质调控
–根据颗粒的表面性质选择适当的介质可以获得充 分分散的悬浮液。 –选择分散介质的基本原则是相同极性原则：
•非极性颗粒易于在非极性液体中分散
•极性颗粒易于在极性液体中分散
颗粒的团聚和分散
• 液体中颗粒的分散——分散剂调控
–颗粒在液体中的良好分散所需的物理化学条件， 主要是通过加入适量的分散剂来实现的，分散剂的 加入强化了颗粒间的相互排斥作用。 –常用的分散剂：无机电解质，表面活性剂和高分 子分散剂。
颗粒的团聚性主要取决于 颗粒间的作用力和颗粒的重
力之比。
1.5.1 团聚机理 尺寸小于1um的颗粒， 颗粒的团聚准数大于106， 小颗粒将在颗粒间的作用 下形成团聚体。
Fint er CO mg
1-134
颗粒间的作用力主要有哪些呢？
颗粒的团聚和分散
• 团聚 颗粒在气相或液相中，颗粒间的作用力远 大于颗粒的重力而形成聚合状态。
• 薄膜水：
– 极其相邻的等径颗粒A和B， 若颗粒A的水膜较厚，位于 F处的薄膜水距颗粒B的中 心较距颗粒A的中心近，因 此薄膜水F开始向颗粒B移 动，即颗粒A周围较厚的水 膜开始向颗粒B移动，直至 两者水膜厚度相等为止。
• 薄膜水：
– ac<ab+cd时，ebfd内的薄膜水, 同时受到两个颗粒的电分子引 力作用而具有较大的粘性。 – 颗粒间距离越小，薄膜水粘性 就越大，颗粒就越不易发生相 对移动；因此，薄膜水厚度影 响粉料的物理力学性质(如成球 性、压缩性、可塑性等) 。
产生静电荷。
q1q2 2X Fe 2 (1 ) D D
颗粒相互间看作理想状态
颗粒间的静电力 相互接触的颗粒有相对运动时，颗粒间将产生 电荷转移。当相互接触的颗粒为导体时，由于它们 电子电动势的不同，电荷将从电动势低的颗粒转移 到电动势高的颗粒。由于电荷的转移，颗粒将带电。 颗粒间便存在作用力，称为静电力。 表1-16 一些操作单元颗粒带电强度的参考值
粉体的润湿特性
• 重力水：
– 当粉料完全被水浸透时，还可能存在重力水。它 与上述的吸附力无关，它是在重力和压力差的作 用下发生移动的自由水，具有总是向下运动的性 能。重力水对颗粒具有浮力。
思考题
• 空气中颗粒团聚的主要原因是什么？什么 作用力起主要作用？非常干燥条件下又是 什么作用力其主要作用？ 颗粒在空气中和液体中分散的主要途径有 哪些？
1-148
粉体的润湿特性
• 依粉料被水润湿的过程，水分主要以四种形 态出现并起作用：
☺吸附水 —— 摆动状态 Pendular state ☺薄膜水 —— 链锁状态 Funicular state
☺毛细管水——毛细管状态 capillary state
☺重力水 —— 浸渍状态 immersed state
杨(Young)方程
sg sl lg cos
颗粒的Байду номын сангаас聚和分散
• 液体中颗粒的分散
–调节颗粒在液体中分散性与稳定性的主要途径：
•通过改变分散性与分散介质的性质调控Hammaker常数， 使其变小，颗粒间吸引力下降；
•调节电解质及定位离子的浓度，使双电层厚度增加，增大 颗粒间排斥作用； •选用附着力较强的聚合物和聚合物亲和力较大的分散介质， 增大颗粒间排斥力。 •颗粒在液体中的分散调控手段大体可分为介质调控、分散 剂调控、超声调控和机械调控。
吸附水的形成，不一定是颗粒浸入水中，或在颗粒层中加 入液态水。即使干燥颗粒还会吸收大气中的气态水分子。
吸附水层厚度并不恒定， 它与物料成分、亲水能力、 颗粒大小与形状、吸附离 子的成分及外界条件(物料 中水蒸汽的相对压力及温 度)等有关。当粉料孔隙中 相对湿度为100％时的吸附 水含量，称为最大吸附水 含量。
颗粒的团聚和分散
• 颗粒的团聚根据其作用机理可以分为三种状态： 聚集体颗粒、凝聚体颗粒和絮凝体颗粒。
空气中颗粒的团聚与分散
液体中颗粒的团聚与分散
空气中颗粒的团聚与分散
– 颗粒在空气中团聚的最主要的原因：范德华力、 毛细力和静电力 – 在空气中，颗粒的团聚主要是毛细力造成的 – 在非常干燥的条件下，是由范德华力造成的
– 最疏——避免料仓结拱 – 最密——造粒
2.1 粉体的堆积物性
一、粉体的堆积物性的表示方法
• 粉体的堆积物性是粉体集合体的基本性质， 在粉体的填充过程中具有重要意义。 • 堆积物性（填充性）可用粉体的松比容 (specific)、松密度(bulk density)、空隙率 (porosity) 、空隙比(void ratio) 、充填率 (packing fraction) 、配位数(coordination number)来表示。
–机械搅拌是通过强烈的机械搅拌方式引起液体强 湍流运动产生冲击、剪切及拉伸等机械力而使颗粒 团聚体碎解悬浮。 –机械搅拌的主要问题是，一旦颗粒离开机械搅拌 产生的湍流场，外部环境复原，颗粒又有可能重新 形成聚团。
1.5.2 聚团强度 颗粒的聚团强度随颗粒尺 寸的减小而迅速增加 。
1 F p d2
1.4.4 颗粒间的静电力
当介质为不良导体（如空气）时，浮 游或流动的固体颗粒(如合成树脂粉末 、淀粉)或纤维往往由于互相撞击和磨 擦（如研磨、喷雾法等操作过程中） 或由于放射性照射以及高压静电场等 对于两个分开且带有异号静电荷各 为q1和q2（库仑单位）的两个直径
都为D的球形颗粒间的引力为
作用（主要指气态离子的扩散作用）
• 毛细管水：
– 两半径r的颗粒间毛细管吸引力F
2 r F 1 tg / 2
– 液体的表面张力愈大，毛细管的 吸引力F也愈大，而单位面积内的 结合力则随着粒径缩小而增加。
– 毛细管水能在毛细管负压的作用下和在 引起毛细管形状和尺寸改变的外力作用 下发生较快的迁移。亲水物料的毛细管 水的迁移速度比较大。
•
2 粉体的物性
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 粉体的堆积物性 粉体的可压缩性 粉体的摩擦性 Molerus粉体分类 粉体的流动性
粉体填充与堆积特性
• 粉体填充结构——颗粒在空间中的排列状态 • ——力学、电学、传热学、流体透过…… • ——粒度、形状、颗粒间相互作用力…… • ——两个极端填充状态：
吸附水具有非常大的粘滞度、弹性和抗剪 强度，它不能在粉粒间自由移动，因而当物 料呈颗粒状时(粒度约0.1-1.0mm)，若仅有 吸附水，则仍是分散状态。但象粘土那样的 约1μ m的细粉料，吸附水也能使它成为硬块。
• 薄膜水：
– 粉粒进一步被润湿时，在吸附水周围形成薄膜 水，这是出于颗粒表面吸附水后还有剩余的未 被平衡掉的范德华分子力(主要是表面引力，其 次是吸附水内层的分子引力)，因为水的偶极分 子围绕水层成定向排列，以及多少受到些扩散 层离子的水化作用，所以薄膜水和颗粒表面的 结合力要比吸附水弱得多，其分子的活动自由 度较大。
– 空气中保持超微粉体干燥是防止团聚的重要措施
• 空气相对湿度超过65%时，水蒸气在颗粒表面及颗粒间 凝聚，颗粒间因毛细力而大大增强了团聚作用
– 颗粒在空气中分散的主要途径有四种： – 机械分散、干燥分散、表面改性、静电分散。
• 空气中颗粒的分散——机械分散
– 用机械力把颗粒聚团打散，是常用的分散手段
操作单元 筛分 螺旋给料 研磨 单位质量带电量（C/kg） 操作单元 单位质量带电量（C/kg） 10-9～10-11 10-6～10-8 10-6～10-7 雾化 气力输送 10-4～10-7 10-4～10-6
• 1.4.5 颗粒间的磁性力
– 铁磁性物质，当其颗粒小到单畴临界尺寸以下时， 颗粒只含有一个磁畴，称为单畴颗粒 – 理论上铁的单畴临界尺寸约为6.4nm，γ氧化铁约 为40nm。 – 单畴颗粒是自发磁化的粒子，其内部所有原子的 自旋方向都已平行，无须外加磁场来磁化就具有 磁性 – 粉末的单畴颗粒之间存在磁性吸引力，很难分散
液体中颗粒的团聚与分散
• 颗粒表面润湿性对粉体的分散具有重要意义，是 粉体分散、固液分离、表面改性和造粒等工艺的理 论基础。固体颗粒被润湿的过程主要基于颗粒表面 对该液体的润湿性。
固-液-气三相界面张力平衡时
– θ=00，称为完全润湿或铺展；
– 00<θ<900，固体能为液体所润湿
– 900<θ<1800，固体不为液体所润湿 水银/玻璃