Поверхностные явления на границе «твердое-твердое»
Поверхностное явление на границе «твердое-твердое» возникает в порошкообразных веществах. В порошкообразных системах частицы соприкасаются друг с другом, между частицами образуются поры, заполненные воздухом.
Порошки характеризуются следующими параметрами:
- 1. Химический состав.
- В промышленности строительных материалов широко используют кварцевые пески, тонкомолотые известь, гипс, портландцемент и т.д. Химическую основу порошков могут составлять все твердые элементы таблицы Д. И. Менделеева и их соединения.
- 2. Зерновой состав характеризуется формой зерен, их размерами и гранулометрическим распределением.
По форме зерен они подразделяются на изометричные — имеют приблизительно одинаковые размеры во всех направлениях и анизометричные — размеры частиц в одном направлении превышают размеры в других направлениях.
Примерами таких зерен являются шарообразные, игольчатые и пластинчатые. Распределение частиц порошка по размерам определяют различными методами: ситовым анализом, оптическим методом, седиментацией и др. Гранулометрическое распределение частиц по размерам оценивают при помощи дифференциальных кривых, характеризующих содержание отдельных узких фракций порошка, и интегральных кривых, являющихся суммой фракций порошка (см. рис. 41).
3. Насыпная плотность и пористость порошка. Насыпная плотность — это масса порошка в единице объема, пористость — доля объема пор в порошке. Эти величины рассчитывают по формулам
где р — истинная плотность беспористого материала; Т — доля твердой фазы; П — пористость порошка.
Насыпная плотность зависит от размера, формы частиц, степени шероховатости их поверхности, гранулометрического состава.
Рис. 41. Кривые гранулометрического распределения порошков:
1 — дифференциальная и 2 — интегральная
Если представить зерна порошка изометрически округлыми, то каждый шар может соприкасаться, согласно модели шарообразных упаковок, с 4, 6, 8 и 12 соседними шарами, в результате чего могут возникать пустоты соответственно 65,99; 47,64; 31,98 и 25,95%. Свободно засыпанные шары одинакового диаметра имеют пористость 40—45%, что соответствует координационному числу 6—8. Шары, подвергнутые вибрации или послойному уплотнению, имеют пористость до 36%, что соответствует координации 8—12 шаров. Для получения плотной укладки зерновой состав исходного порошка должен быть прерывистым с соотношением размеров крупной фракции к тонкой около 100.
Классические представления о плотной укладке заключаются в том, что мелкие зерна укладываются в промежутки между крупными зернами, не раздвигая их. По Андерсону, плотная укладка заполнителя в бетонах получается при условии
4. МАТЕРИАЛЫ В ВЫСОКОДИСПЕРСНОМ СОСТОЯНИИ
где Ai — количество фракций, прошедшее через сито с ячейкой /, %; D — размер самой крупной фракции в порошке; di — размер любой заданной фракции, который меньше D.
Тонко дисперсные порошки с размером зерен менее 100 мкм имеют менее плотную укладку зерен с пористостью более 50 % (до 95 %).
4. Поверхность порошка и контакта. В свободно насыпанном и уплотненном состоянии частицы соприкасаются друге другом. При пористости порошка более 50% среднее расстояние между соседними зернами составляет 1,2—1,5 диаметра зерна.
Большая часть зерна оказывается как бы взвешенной в пространстве, поддерживаясь в этом состоянии за счет опоры на одну-две соседние частицы. Поэтому поверхность контакта частиц порошка в свободном насыпном состоянии составляет тысячные доли, при пористости около 10% — менее 50% общей площади.
В зоне непосредственного контакта двух частиц выделяют два вида сил взаимодействия:
- — слабые ван-дер-ваальсовские силы со значением энергии 0,04— 4 кДж/моль и прочностью связи на один контакт 10"7 Н. Эти силы действуют на расстоянии 10-8—10~9 м;
- — сильные химические связи (аутогезия, когезия) — за счет ионно-электронного взаимодействия двух плотно соприкасающихся частиц. Эти силы сцепления действуют на расстоянии 10“10 м и имеют энергию связи 40—400 кДж/моль при прочности единичного контакта 10-4—10-5 Н.
Поверхность контакта в целом определяет долю активной в химическом отношении поверхности частиц. Через эту поверхность протекают все твердофазовые реакции взаимодействия за счет процессов поверхностной и объемной диффузии. Реакции взаимодействия двух частиц резко возрастают при повышении температуры и имеют место при спекании керамики, портландцементного клинкера и др.
При дроблении и помоле число частиц в единице объема порошка возрастает, возрастает число и общая поверхность контактов. Этим в значительной мере определяется увеличение реакционной способности твердых тел с увеличением дисперсности. Так, расчетным путем получено, что число контактов частиц на 1 см2 контактной площади при размере зерен 20-40 мкм равно (1,8-4,2) • 10~4, при зерне менее 20 мкм — (2,1—3,9) ? 10“6.
5. Агрегация и агломерация порошков. Наличие свободных поверхностных связей, дефектов кристаллической решетки у поверхности при сближении частиц приводит к агрегации, т. е. к образованию конгломератов, состоящих из нескольких частиц, связанных силами когезии. Когезия — это взаимное притяжение молекул, возникающее за счет образования индуцированных диполей. При агрегации частиц часть свободной поверхностной энергии переходит в окружающую среду в виде тепла. Агрегация во время помола приводит к повышению затрат и энергии на их разрушение.
Агломерация — это сближение частиц по всему объему порошка. Такая уплотненная система частиц называется агломератом. С явлениями агломерации связаны спекаемость, образование комков гранул, брикетов порошкообразных материалов. Движущими силами, причинами агломерации являются:
- — когезия — сближение частиц под действием ван-дер- ваальсовских сил;
- — аутогезия — сближение частиц одного и того же состава;
- — адгезия — сближение частиц различных веществ;
- — капиллярные силы и силы поверхностного натяжения при наличии в системе жидкой фазы.
Общей движущей силой агломерации и агрегации является стремление дисперсной системы уменьшить свою поверхность за счет уменьшения свободной поверхности зерен и увеличения доли контактной поверхности.
В промышленности строительных материалов для получения агломератов — гранул, брикетов — широко используются жидкости, в том числе вода; являющиеся как бы «склеивающими» мостиками между заполнителями. Особой разновидностью агломерации является осаждение в электрофильтрах мелкой пыли, частицам которой сообщают отрицательный или положительный заряд.
Явление агрегации частиц порошка нежелательно при помоле, хранении на складе, в силосах. Борьба с агрегацией частиц при помоле в сухом виде ведется с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Борьба со слеживаемостью порошков в силосах осуществляется интенсивным перемешиванием порошка сжатым воздухом. Воздух насыщает порошок (цемент), переводит его в псевдотекучее состояние.
В качестве связок при гранулировании сырьевой муки, керамических масс, зол, пыли чаще используют воду (6—13%), глиняный шликер, жидкое стекло и др.
