ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структурообразование в порошках в динамических условиях из "Физико-химические основы технологии дисперсных состем и материалов" Дальнейшее уменьшение размера частиц приводит к образованию пространственных структур, что вызывает значительные трудности в проведении ряда технологических процессов, связанных с необходимостью разрушения структуры (смешение, дозирование, транспортирование, псевдоожижение и др.). В таких процессах реализуются динамические условия, так как они отвечают динамическому равновесию между процессами разрушения контактных связей внешними воздействиями и их тиксотропного восстановления. [c.95] В конечном итоге физико-механические свойства порошков определяются силой контактного взаимодействия частиц, поэтому для решения как прикладных, так и фундаментальных теоретических задач в области физико-химической механики наиболее целесообразным представляется установление связи между макрореологическими характеристиками слоя порошка и силой взаимодействия частиц. Суш,ествует две концепции и соответственно две группы методов исследования реологических свойств порошков [57, 96]. Согласно одной из этих концепций свойства порошков рассматривают с позиций классической механики, а слой порошка — как сплошное пластическое тело. Соответствуюш,ие экспериментальные методы сводятся к определению предельных (сдвиговых и разрывных) напряжений, позволяющих рассчитывать применительно к конкретному порошку оптимальные параметры технологических устройств (бункера, воронки и т. д.). Существенным недостатком этой группы методов является невозможность оценить силу контактного взаимодействия частиц, а тем самым и природу сил, определяющих поведение порошка. [c.95] Другая концепция основана на представлении о дискретности порошков и учете взаимодействия частиц. В этом случае в модельном эксперименте можно детально изучить контакт двух частиц и определить силу их взаимодействия. Однако из-за наличия множества частиц, разнообразия их размеров и форм в рамках этой концепции не удается получить полного представления о реологическом поведении некоторого объема порошка. [c.95] Только исследования в динамических условиях позволяют объединить эти два различных подхода к изучению физикомеханического поведения порошков. Действительно, при выполнении ряда требований макрореологические характеристики разрушаемой структуры порошка могут дать информацию о ее микрореологической характеристике — силе контактного взаимодействия частиц. К таким требованиям относятся 1) наличие адекватной модели, связывающей количество энергии, поглощаемой структурой при разрушении ее под действием внешних нагрузок, с энергией связи в единичном контакте 2) наличие экспериментальных методов изотропного разрушения структуры и регистрации степени ее разрушения 3) наличие модели, связывающей число контактов, приходящихся на единицу объема, с такими характеристиками порошка, как концентрация дисперсной фазы и размер частиц. [c.96] Размер частиц и концентрация дисперсной фазы определяют то положение, которое занимают высокодисперсные порошки (ВДП) среди дисперсных систем. По размеру частиц они находятся между истинными коллоидными растворами и грубодисперсными системами. Нижняя граница размеров частиц определяется невозможностью дальнейшего сухого измельчения, а верхняя — равенством адгезионных и инерционных сил. [c.96] По концентрации дисперсной фазы ВДД отличаются от разбавленных коллоидных растворов. Значение предельного напряжения сдвига при деформации (отличного от напряжения сдвига чистой дисперсионной среды) определяет границу, отделяющую разбавленные коллоидные растворы от высококонцентрированных дисперсных систем, к которым и относятся ВДП. Некоторые особенности поведения ВДП хорошо коррелируют с поведением высококонцентрированных систем с жидкой дисперсионной средой, поэтому анализ общих для всех ВКДС закономерностей помогает лучше понять основные свойства ВДП. [c.96] Основные характеристики дисперсных систем — их агрегативная и седиментационная устойчивость — по существу, определяются достижением и поддержанием во времени концентрационной однородности (равновероятности) распределения дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды. Отсюда следует один из важнейших в физикохимии ВКДС вывод ввиду того, что управление структурно-механическими свойствами ВКДС нельзя обеспечить только физико-химическими методами и разрушение структуры не может быть достигнуто за счет теплового движения, с помощью внешних механических воздействий в структурированной дисперсной системе необходимо создать такое динамическое состояние, при котором все обратимые по прочности контакты между частицами дисперсной фазы будут разрушены и реализуется наибольшая текучесть при наименьшей эффективной вязкости (см. гл. II). [c.97] Все сказанное выше дает основание утверждать, что для установления закономерностей образования, условий сохранения и разрушения структур ВКДС необходимо найти взаимосвязь между реологическими характеристиками системы (в данном случае порошка) и интенсивностью механических воздействий на нее. Наиболее важная информация может быть получена в результате анализа полной реологической кривой дисперсной системы (порошка), выражаюн4,ей зависимость равновесной степени разрушения от скорости деформации е или напряжения сдвига Р [часто степень разрушения характеризуют эффективной вязкостью г]эфф (разд. П.1)]. [c.98] С помощью ротационных вискозиметров получены полные реологические кривые для большого класса структурированных дисперсных систем, образующих тиксотропные коагуляционные структуры, т. е. для систем с жидкой дисперсионной средой. Вместе с тем практически отсутствуют экспериментальные данные о реологических кривых (кривых течения) г]эфф—Р для ВДП. [c.98] Получение полной реологической кривой в интервале изменения эффективной вязкости г]эфф от значений наибольшей вязкости неразрушенной структуры г]о до минимальной вязкости предельно разрушенной структуры т)1 определяется возможностью достижения максимальной однородности дисперсной системы в широком интервале напряжений сдвига [101]. Такого рода кривые были получены для пластично-вязких систем, в которых образуются коагуляционные структуры [15, 101]. [c.98] Екр сопровождается образованием в деформируемой системе двух локальных объемов, ограниченных поверхностями скольжения, что характерно для разрыва сплош юсти системы (рис. П1.1) [15, с. 168]. [c.99] Разрыв сплошности, как уже отмечалось в разд. П.1, 11.4, может произойти в любых вязких жидкостях при превышении скорости роста напряжений над скоростью их релаксации [102, 103]. В истинных жидкостях с очень малыми временами релаксации (10- —10 с) разрыв сплошности наступает при весьма высоких скоростях деформации. Высококонцентрированные структурированные дисперсные системы, в том числе ВДП, занимают промежуточное положение между истинными жидкостями с малыми временами релаксации и твердыми телами с бесконечно большими временами релаксации. [c.99] Появление разрыва сплошности ВКДС приводит к важным последствиям. Во-первых, в условиях сдвигового деформирования таких систем предельное разрушение их структуры не может быть достигнуто, и поэтому для них невозможно получить полную реологическую кривую. Во-вторых, возникновение разрывов сплошности при малых скоростях сдвига в системах с р фкр (ф — объемная доля дисперсной фазы, фкр — критическая концентрация, при которой начинается интенсивное структурообразование системы, сопровождающееся резким упрочнением структуры) является основной причиной неэффективности разнообразных технологических процессов, в том числе процессов смешения или гомогенизации многокомпонентных дисперсных систем. [c.99] возможность ликвидации разрывов сплошности в плас-тично-вязких ВКДС путем воздействия вибрации была установлена экспериментально при исследовании водных суспензий кальциевого бентонита по изменению характера реологической кривой [15, с. 171]. Микрофотографии двухфазной системы Т—Ж, зафиксировавшие состояние структуры после перемешивания без вибрации и при ее воздействии [104], также наглядно показывают наличие и устранение макронеоднородностей соответственно в первом и во втором случае. В работе [104] также было установлено, что наложение на концентрированную дисперсную систему вибрации с частотой со позволяет осуществлять сдвиговую деформацию без разрыва сплошности со скоростями не более сй/2л. [c.100] Таким образом, опыт практического применения вибраций для создания состояния псевдоожижения ВКДС, и в первую очередь для ВДП, и теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости и достаточности применения вибрации для реологических исследований создали основу для дальнейшего развития реологии ВДП. [c.100] Имеющиеся немногочисленные экспер1 ментальные данные, характеризующие поведение ВДП в динамических условиях, можно разделить на три основные группы 1) результаты исследований сыпучих материалов методами, обычными для классической реологии, т. е. данные вискозиметрии псевдоожижен-ных систем 2) результаты исследований ВДП в процессах виброуплотнения 3) результаты исследований по определению границы перехода ВДП из состояния виброожижения в состояние виброкипения в зависимости от параметров вибрации. [c.100] Следует отметить, что применение термина псевдоожижение [46, 54] к сыпучим материалам, и в том числе к ВДП, означает, что в определенных условиях эти системы можно рассматривать как вязкие жидкости. [c.100] Псевдоожижение как вибрационным полем, так и потоком газа или жидкости приводит ВДП в некоторое динамическое состояние с полным (например, при виброкипении) или частичным разрушением контактов между частицами. Ниже рассмотрены общие закономерности и специфика обоих способов псевдоожижения. Реализация именно этих способов позволяет получить реологические характеристики, т. е. соотношение между скоростью необратимой деформации и силой, вызывающей эту деформацию, по которым наиболее полно можно количественно описать состояние псевдоожиженных слоев, установить оптимальные условия ожижения, а также выяснить влияние различных факторов на структуру псевдоожиженных или псевдокипящих слоев [15, 94]. [c.101] Данные вискозиметрических экспериментальных исследований приводятся в основном в виде зависимостей вязкости от некоторого параметра псевдоожижающего воздействия т)(/) — для виброожижения [15], т) (и)—для псевдоожижения потоком [54, 94] (где I—интенсивность механических воздействий,, V — скорость потока). Эти зависимости лишь качественно характеризуют влияние внешних энергетических полей на степень разрушения структуры сыпучих систем, в том числе и ВДП. [c.101] Изучение свойств псевдоожиженных слоев проводилось с использованием различных методов и приборов. Так, системы, псевдоожиженные потоком газа, были исследованы с помощью лопастного вискозиметра Штормера, или вискозиметра с вращающимися шарами, и вискозиметра с падающим шариком. Авторы работы по реологии таких систем [94] считают, что полученные данные являются приближенными и могут рассматриваться только как качественные. Методами, обоснованными теоретически, они считают лишь ротационную и капиллярную вискозиметрию впрочем, последний метод ограниченно применим к ВДП из-за эффекта проскальзывания материала вдоль стенок. Достоверные количественные данные были получены лишь с использованием ротационного вискозиметра Куэтта (результаты исследований с помощью вискозиметра Брукфилда считаются достоверными, если скорости деформирования не слишком велики [107]). [c.101] Вернуться к основной статье