Порошки

ПОРОШКИ, двухфазные системы, представляющие собой твердые частицы дисперсной фазы, распределенные в воздухе или др. газовой среде. Традиционно к П. относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин "П." 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 П. с размером частиц от 1 до 100 мкм. Уд. межфазная пов-сть таких П. меняется в широких пределах - от неск. м²/г (аэросил, сажа) до долей м²/г (мелкие пески). Высокодисперсные П. 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 П. 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 П.-предельное напряжение сдвига и эффективная вязкость. В рамках механики сплошных сред, начиная с работы К. Кулона (1773) до 2-й пол. 20 в., П. рассматривались как пластич. тела и на основе теории пластичности были сформулированы условия мех. деформации П. В частности, сдвиговая деформация П. наступает при предельном напряжении сдвига т, обусловленном двумя факторами: притяжением частиц П. друг к другу (аутогезией) и трением между частицами П. (обычно наз. внутренним трением, но не связанным с диссипацией энергии деформирования). Согласно условию Мора-Кулона,

где С-сопротивление деформированию, связанное с аутоге-зией, a-угол внутр. трения, s_н - нормальное напряжение (tg a · s_н- сопротивление, обусловленное внутр. трением). Аутогезия определяется гл. обр. природой и силой межчастичного взаимодействия (см. Адгезия). Осн. вклад в межчастичные взаимод. в П. 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" П., в к-рых аутогезия велика и частицы сцеплены друг с другом, т.е. система обладает нек-рой структурой, и "несвязных" П., в к-рых сопротивление сдвигу обусловлено лишь трением между частицами. Критерий связности имеет вид: s_н >> С. Согласно модели, разработанной П. А. Ребиндером, Е. Д. Щукиным и Л. Я. Марголис в 1964, аутогезия частиц монодисперсного П. приводит к возникновению пористой структуры, образованной цепочками из п частиц, вытянутыми в трех взаимно перпендикулярных направлениях, причем п связано с пористостью Е структуры соотношением:

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

где а-коэф. порядка единицы, характеризующий геометрию упаковки частиц, F_св-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 П. возникает при условии, когда вес частицы

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

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

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

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

Структурно-реологич. характеристики П. 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 П. в динамич. условиях (под воздействием вибрации, в потоке газа, при псевдоожижении и др.). Особенность динамич. поведения П.-течение при сдвиговом напряжении, меньшем предельного, причем, как правило, П. течет как неньютоновская жидкость (см. Реология). Агрегация частиц рассматривается как одна из причин неньютоновского поведения. Эффективная вязкость h_эфф агрегированного П. зависит от безразмерного параметра т/(h), где h- вязкость неструктурированного П., заполняющего пространство между агрегатами, -скорость сдвига. Соответствующая зависимость выражается степенной ф-цией:

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

Вязкость h можно определить, рассматривая П. как систему твердых, не связанных сферич. частиц. В рамках механики мн. частиц установлено, что существует миним. вязкость (наиб. текучесть) П. 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 П. 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 П. под действием динамич. нагрузки и достигаемой объемной плотностью), слеживаемость в процессе хранения (образование структур с прочностью, превышающей первоначальную). Слеживаемость П. может быть следствием неск. факторов. Р-римые в воде П. (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 П. (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 П., и при пересыщении выделяются кристаллы - мостики срастания.

Слеживаемость П. 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 П. 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 П., 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