2 粉体的描述-2

null第二讲 粉体的描述第二讲 粉体的描述粉体的粒子学特性包括粉体粒径、粒径分布、粒子形状、密度、流动性、堆积密度、比面积等。第二讲 粉体的描述第二讲 粉体的描述粉体粒度分布的数学描述 粒度测量及其选择 粉体填充与堆积特性 粉体中颗粒间的附着力 颗粒的团聚和分散 粉体的湿润特性粉体填充与堆积特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： 最疏——避免料仓结拱 最密——造粒粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性堆积/容积密度 填充率 孔隙率 配位数 可压缩性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体的堆积/容积密度 单位堆积体积的粉体的质量，也叫做视密度，粉体的质量M除以粉体的堆积体积VB 2-1形状、尺寸、尺寸分布、堆积方式粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性松动堆积密度 在重力作用下慢慢沉积后的堆积（自然堆积）； 紧密堆积密度 通过机械振动所达到的最紧密堆积（强制堆积）。 粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性100mL防止颗粒团聚松动堆积测量紧密堆积测量粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性 堆积方式对小颗粒影响大 粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性PVC比较特殊粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性填充率 颗粒体积占粉体堆积体积的比率堆积的颗粒体积 粉体填充体积粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体堆积的空隙率 空隙体积占粉体堆积体积的比率，亦即颗粒间的空隙体积Vv 除以粉体的堆积体积VB2-2堆积的颗粒体积 粉体填充体积粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性堆积空隙率取决于颗粒的形状、颗粒的尺寸与尺寸分布及粉体的堆积方式。2-32-4松动堆积空隙率紧密堆积空隙率粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性分布宽度对空隙率具有较为明显的影响粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性颗粒的配位数 粉体堆积中，与某一考察颗粒相互接触的颗粒数。 研究粉体堆积特性的一个重要指标。 均一球形颗粒在平面上的排列作为基本层 正方形排列层 单斜方形/六方系排列层粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性正方形排列层均一球形颗粒的基本排列层等边三角形/菱形/六边形排列层粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性null粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性空间特征的计算结果粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性实际填充结构 填充时，受颗粒碰撞、回弹、颗粒间相互作用力及容器壁的影响不能规则填充。 Smith等人将3.78mm的铅弹自然填入直径80～130mm的烧杯中，注入20%醋酸水溶液后，十分小心地倒掉溶液。若保持原先填充状态，接触点上残留碱性醋酸铅的白色斑点。从与容器不接触的铅弹中计数900～1600个球，得到平均空隙率～平均配位数的关系：粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性实际填充结构nulldP= 7.56mm，自然投入堆积，实验测量可以与表2-2计算结果相比较。一致，非常吻合！粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性Bernal & Mason测定与所观察颗粒完全接触的颗粒，及比较近接触的颗粒，方法同Smith，钢球直径6.35mm，1000～5000个填入容器，浸满墨汁后取出，干燥后如图示两类斑点。粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性null随机堆积计算方法（公式）比较（经验关联）。粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体的可压缩性 当粉体在松动堆积状态受到压缩作用时，其堆积体积将减小。颗粒间的空隙亦相应地减小。粉体的可压缩性跟其堆积状态有关，用以表征粉体的可压缩性。定义如下： 2-8VB,AVB,T粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体的可压缩性 粉体紧密堆积密度和松动堆积密度之比，称为粉体Hausner比值 2-9常用于表征粉体的可压缩性和流动性粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体的可压缩性 实验结果表明: 较粗颗粒的HR值较小（<1.2） 细颗粒的HR值较大（>1.4） 极细颗粒具有较高的HR值（>2） 根据图2-2可以发现,颗粒尺寸增加,堆积密度相差变小。粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性2-10粉体的可压缩性和Hausner比值的关系为2-82-9粉体填充与堆积特性粉体填充与堆积特性粉体的可压缩性、团聚性和流动性与HR值的关系例如：花椒粉，当C>30%时倒不出来。颗粒间的附着力颗粒间的附着力固体颗粒容易聚集在一起，尤其是细颗粒 —— 颗粒之间存在附着力 粉体的摩擦特性、流动性、分散性、压制性等 分子间的范德华力 颗粒间的范德华力 附着水分的毛细管力 颗粒间的静电力 磁性力 颗粒表面不平引起的机械咬合力颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force)来源：取向力、诱导力和色散力 取向力 二个极性分子的固有偶极将同极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力 诱导力 非极性分子在极性分子的固有偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力 色散力 非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，出现瞬时偶极，瞬时偶极间的作用力 分子间的斥力颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force)来源：色散力、诱导力和取向力 极性分子间有色散力，诱导力和取向力； 极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力； 非极性分子间只有色散力。实验证明，对大多数分子来说，色散力是主要的；只有偶极矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的。P19 表1-11 一些分子间相互作用常数颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force) 取向引力势能（两极性分子）1-90分子物理理论Boltzmann constant k = R/NA = 8.314 / 6.023×1023 = 1.381×10-23J/K 颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force) 诱导引力势能（一极性分子与一非极性分子）1-91α1, α2－两分子的极化强度颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force) 色散引力势能（两非极性分子） 电离能1-92颗粒间的附着力颗粒间的附着力分子间的范德华力(van der Waals interaction force) 取向力、诱导力和色散力1-93Cmm：London-van der Waals常数颗粒间的附着力颗粒间的附着力两分子间斥力表达式(Lennard-Jones 6-12势能函数) ε — 势井深度，势能曲线的最小值 σ — 势能为零时分子间的距离1-94颗粒间的附着力颗粒间的附着力Argon molecularHard sphere modelMolecular diameterε — 势能曲线的最小值； σ — 势能为零时分子间的距离。1-95颗粒间的附着力颗粒间的附着力查表计算获得1-961-93 1-94颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 颗粒无极性，构成颗粒（颗粒表面）的分子或原子的电子运动，颗粒将有瞬时偶极——颗粒间的范德华力 Hamaker理论 吸附气体的影响 颗粒变形的影响 表面粗糙度的影响颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 引力势能理论 + 能量叠加原理颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 势能叠加原理 (Hamaker将构成两颗粒的所有分子或者原子间的引力势能积分来计算两颗粒间的引力势能)particlesMolecular density1-97颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 将1-97式进行积分运算后得颗粒间的引力势能计算式：1-98颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 A的值与颗粒材料、所处环境（如真空、水、空气等）有关。可以查表获得。 对于不同材料的颗粒，其Hamaker常数取各自常数的几何平均1-100颗粒间的附着力颗粒间的附着力表1-13 一些颗粒系数在真空和水中的Hamaker常数值P19颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 颗粒间的引力，即颗粒间的范德华力为 1-101约定负号表示引力。颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 颗粒间的引力，即颗粒间的范德华力为1-1011-102颗粒与平面，d2→∞，范德华力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / Hamaker理论 颗粒间的引力，即颗粒间的范德华力为1-101等直径两颗粒，d1=d2，范德华力1-103范德华力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响 颗粒处在某种特定的环境中，其表面常会吸附有环境气体。由于吸附气体的存在，导致颗粒间的范德华力增加。根据Hamaker理论，这种情况下颗粒间引力势能可以计算如下： 颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响1-104particle-particle gas-particle颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响1-1051-106积分得：B气体吸附常数A为Hamaker常数1-99颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响 分子密度：1-107颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响1-1081-109单位颗粒表面积吸附气体分子的个数q为：δ — 颗粒单位质量所吸附的气体量。颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响1-1101-111进一步可以获得气体吸附常数B的计算式为：颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响 吸附环境气体后的范德华力表达式：1-1121-113颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 吸附气体的影响计算由于吸附气体后对于范德华力的增强作用。以FCC-FCC颗粒为例进行讨论。结果见图1-16。颗粒间的附着力颗粒间的附着力易吸附气体范德华力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响当颗粒接触时，通常在接触点产生变形。这样增加了颗粒间的接触面积。相当于增加了颗粒间距离较近的分子数，从而使得颗粒间的引力势能增加，也增加了颗粒间相互作用的范德华力。background颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 由Hamaker理论，分子间的引力势能对两个变形颗粒的积分可得a－颗粒变形后的接触面积；D－颗粒的接触直径。1-114颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响1-115此时颗粒间的范德华力为1-116颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 颗粒变形的影响 弹性变形 塑性变形 弹塑性变形范德华力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 表面粗糙度的影响 当颗粒表面比较粗糙时，颗粒间的范德华力为1-126nullnull颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 表面粗糙度的影响 考虑颗粒表面粗糙度与另一颗粒间的范德华力时，由于颗粒表面粗糙度远小于颗粒的尺寸，范德华力为1-127表面粗糙度直径颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 表面粗糙度的影响 颗粒间总的范德华力为1-1281-129null24.5nm0.79※ 图中共有3组曲线！<10nm——光滑颗粒 , >100nm——粗糙颗粒颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的范德华力 / 表面粗糙度的影响 粗糙度尺寸和尺寸分布对颗粒间范德华力的影响 表面粗糙度相互接触 D取两颗粒表面粗糙度的直径表面粗糙度仅与颗粒相接触 D取颗粒表面粗糙度尺寸d’颗粒间的附着力颗粒间的附着力来自吸附的贡献CO2易吸附，所以效果明显。颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的毛细力 当粉体暴露在湿空气中时，颗粒将吸收空气中的水分。当空气的湿度接近饱和状态时，不仅颗粒本身吸水，而且颗粒间的空隙也将有水分凝结，在颗粒接触点处形成液桥（liquid bridge）。形成液桥的临界湿度不仅取决于颗粒的性质，还于温度和压力有关。实验研究表明，形成液桥的临界湿度在60-80%之间。颗粒间的附着力颗粒间的附着力（1）接触点液桥（2）接触点附近空隙有液体存在（3）所有空隙均充满液体颗粒间的附着力颗粒间的附着力1-130当颗粒间形成液桥时，由于表面张力和毛细压差的作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细力。颗粒间毛细力的计算公式为：表面张力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的附着力1-131考虑几何关系：颗粒间的附着力颗粒间的附着力1-1331-132当颗粒尺寸相等时，即β=1，颗粒间的毛细力变为：当颗粒与平面接触时，即β→∞，颗粒与平面的毛细力变为：nullPower function颗粒吸水后毛细力为主2-√2=0.586(1-32)颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的静电力 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。颗粒间的附着力颗粒间的附着力颗粒间的磁性力 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，很难分散颗粒间的附着力颗粒间的附着力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。颗粒的团聚和分散 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。 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。颗粒的团聚和分散 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颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 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 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 采用助磨剂和表面改性剂颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 空气中颗粒的团聚与分散 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。颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 空气中颗粒的团聚与分散——机械分散 用机械力把颗粒聚团打散，是常用的分散手段 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颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 空气中颗粒的团聚与分散——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。颗粒的团聚和分散 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 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的离子电帘使颗粒带电。 颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 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。颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散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/玻璃颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与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。 颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散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颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散——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 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散——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。颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散——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。颗粒的团聚和分散 颗粒的团聚和分散 液体中颗粒的团聚与分散——机械调控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。 粉体的润湿特性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：毛细管水—— capillary state 重力水 —— 浸渍状态 immersed state吸附水 —— 摆动状态 Pendular state 薄膜水 —— 链锁状态 Funicular state粉体的润湿特性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。 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。 粉体的润湿特性粉体的润湿特性吸附水：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。粉体的润湿特性粉体的润湿特性吸附水： 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1μm的细粉料，吸附水也能使它成为硬块。 粉体的润湿特性粉体的润湿特性薄膜水： 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。 粉体的润湿特性粉体的润湿特性薄膜水： 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。 粉体的润湿特性粉体的润湿特性薄膜水： ac