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, sн
- нормальное напряжение (tg a · sн- 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: sн >>
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, Fсв-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 dкр (Н. Б Урьев, 1975):
Если между частицами действуют
силы мол. притяжения, dкр изменяется от 100 до 500 мкм; для
увлажненных П., в к-рых существенны капиллярные силы, значения dкр
на порядок больше. Связными П. являются высокодисперсные системы с диаметром
частиц d
dкр,
несвязными П.-грубо-дисперсные системы. Значение dкр служит
также критерием агрегируемости частиц П.
Для связных П. разрушение,
вызываемое растягивающими усилиями, целиком определяется аутогезией. Прочность
на разрыв тр (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 тмакс. Для сыпучих
материалов с Е < 0,52 прочность тр м. б рассчитана
по ф-ле:
Для П. с пористостью Е
> 0.52 можно определить тр на основе предположения о
случайной упаковке частиц. Наиб прочностью тмакс обладают П.
с миним. пористостью Емин ! 0,39-0,41 (после
виброуплотнения Емин может достигать 0,36-0,37). Зависимость
тр 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 hэфф
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
