粉體工程第二章

1、2 粉體的堆積性質(zhì)粉體的堆積性質(zhì) 2.1 粉體顆粒的填充結(jié)構(gòu)粉體顆粒的填充結(jié)構(gòu)2.1.1 粉體的填充指標(biāo)粉體的填充指標(biāo)(1) 容積密度B：單位填充體積的粉體質(zhì)量，又稱表觀密度。式中 VB粉體填充體積 P顆粒密度 空隙率BPBV 1VB（ ）填充粉體的質(zhì)量粉體填充體積常用的容積密度:松動(dòng)容積密度（B,A）:在重力作用下慢慢沉積后的堆積.緊密堆積密度（B,T）:緊密堆積是通過機(jī)械振動(dòng)所達(dá)到的最緊密堆積。v一般而言，隨顆粒尺寸的減小，緊密容積密度和松動(dòng)容積密度的偏差較大，即堆積方式對(duì)小顆粒堆積密度的影響較大。當(dāng)尺寸較大時(shí)，緊密容積密度和松動(dòng)容積密度趨于相等，即容積密度不受堆積方式的影響（FCC顆粒、

2、乳糖、蘇打粉）。但PVC粉的松動(dòng)容積密與緊密容積密度在測試的測試的尺寸范圍內(nèi)隨尺寸的增加而線性地增加。（2）填充率：顆粒體積占粉體填充體積的比率（3）空隙率：空隙體積占粉體填充體積的比率 常用的空隙率有松動(dòng)堆積空隙率B,A和緊密堆積空隙率B,T。一般而言，松動(dòng)堆積空隙率隨顆粒尺寸的減小而增加，粒度分布較寬的松動(dòng)堆積空隙率小于粒度分布較窄顆粒的松動(dòng)堆積空隙率。顆粒的形狀對(duì)空隙率也有較大影響，隨著顆粒球形度的減小，顆粒的空隙率明顯增加。 BP填充的顆粒體積粉體填充體積BP1 1v空隙率不同于通常所說的孔隙率。顆粒在形成過程中，有可能產(chǎn)生內(nèi)部封閉孔和與顆粒相通的外孔。一般空隙率中的顆粒體積是指不包括

3、顆粒的外孔在內(nèi)的，而孔隙率中的顆粒體積則是內(nèi)外孔均不包括。 2.1.2 均一球形顆粒群的規(guī)則填充均一球形顆粒群的規(guī)則填充若以均一球粒在平面的排列作為基本層，則有正方形排列層（90度角是其特征）和單斜方形排列層或六方系排列層（60度角是其特征）。4個(gè)球?yàn)榛緦拥淖钚挝?，將各個(gè)基本排列層匯總起來可得到六種排列形式。排列1、排列2、排列3為正方形排列，排列4、排列5、排列6為三角形排列。（P24）2.1.3 均一球形顆粒的不規(guī)則填充均一球形顆粒的不規(guī)則填充（1）隨機(jī)密填充（2）隨機(jī)傾倒填充（3）隨機(jī)疏填充（4）隨機(jī)極疏填充2.1.4 非均一球形顆粒的填充結(jié)構(gòu)非均一球形顆粒的填充結(jié)構(gòu)粒度不同的兩種球

4、形顆粒，小顆粒的粒度越小，填充率越高，填充率隨大小顆?；旌媳榷兓?，大顆粒質(zhì)量比率為70時(shí)，填充率最大。 設(shè)密度1的大顆粒單獨(dú)填充時(shí)空隙率為1，將2、2的小顆粒填充到大顆粒的空隙中，則填充體單位體積大顆粒的質(zhì)量W1為：W1（11）1小顆粒質(zhì)量W22（11）2混合物中大顆粒的質(zhì)量比率為對(duì)于同材質(zhì)的球形顆粒，12，12，則0.4時(shí)，得到最大填充率的大顆粒質(zhì)量比率為0.71 1111212212(1)(1)(1)WZWW f2.1.5 不同粒徑球形顆粒的規(guī)則填充不同粒徑球形顆粒的規(guī)則填充最密填充理論最密填充理論（1）Horsfield填充均一球按六方最密填充狀態(tài)進(jìn)行填充時(shí)，球與球間形成的空隙大小和形

5、狀有兩種孔型：6個(gè)球圍成的四角孔和4個(gè)球圍成的三角孔。設(shè)基本均一球成為1次球（半徑r1），填入四角孔中的最大球稱為2次球（半徑r2），填入三角孔中的最大球稱為3次球（半徑r3），隨后再填入4次球（半徑r4），5次球（半徑r5），最后以微小的均一球填入殘留的空隙中，這樣就構(gòu)成了六方最密填充，稱為Horsfield填充。r20.414r1r3=0.225r1r4=0.177r1r5=0.116r1最終填充結(jié)果：最終空隙率0.1490.2594=0.039C和E相切的二次球A和E相切的三次球（2）Hudson填充當(dāng)一種以上的等尺寸球被填充到最緊密的六方排列的空隙中時(shí)，空隙率是隨著較小球與最初大球的尺

6、寸比值而變化的，空隙率隨著四方孔隙中較小球的數(shù)目的增加而減小。實(shí)際上不不是這樣，因?yàn)樵谌切慰紫吨?，球的?shù)目是不連續(xù)的。Hudson在金屬固溶體的研究中，對(duì)半徑為r2的等徑球填充到半徑為r1的均一球六方最密填充體的空隙，當(dāng)r2/r10.4142時(shí)，可填充為四角孔；r2/r10.2248時(shí)，可填充為三角孔，r2/r10.1716時(shí)的三角孔基準(zhǔn)填充最為緊密，空隙率為0.113。這樣的填充稱為Hudson填充。2.1.6 影響顆粒填充的因素影響顆粒填充的因素（1）壁效應(yīng)當(dāng)顆粒填充容器時(shí)，在容器壁附近形成特殊的排列結(jié)構(gòu)，稱為壁效應(yīng)。 （2）局部填充結(jié)構(gòu)排列結(jié)構(gòu)的局部變化（如空隙率分布、填充數(shù)密度分布和

7、接觸點(diǎn)角度分布等）對(duì)粉體現(xiàn)象有很大影響。（3）物料的含水量潮濕物料顆粒表面吸水，顆粒間形成液橋力，導(dǎo)致粒間附著力增大，形成二次、三次粒子，即團(tuán)粒。由于團(tuán)粒尺寸較一次粒子大，并且團(tuán)粒內(nèi)部保持松散的結(jié)構(gòu)，使整個(gè)物料堆積率下降。（4）顆粒形狀空隙率隨顆粒圓形度的降低而增高。（5）粒度大小對(duì)顆粒群而言，粒度越小，由于粒間團(tuán)聚作用，空隙率越大。當(dāng)粒度某一定值時(shí)，粒度大小對(duì)顆粒堆積率的影響已不復(fù)存在，比值為臨界值。隨粒徑增大，與粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略不計(jì)。粒徑變化對(duì)堆積率的影響大大減小。因此，通常在細(xì)粒體系中，粒徑大于或小于臨界粒徑的物料對(duì)顆粒體行為有舉足輕重的作用。 （6）物料堆積的填充速

8、度也很重要。對(duì)粗顆粒，較高的填充速度會(huì)導(dǎo)致物料比較松散，但對(duì)于像面粉那樣具有粘聚力的細(xì)粉，較高的供料速度可得到較致密的堆積。2.2 粉體中顆粒間的附著力粉體中顆粒間的附著力 （1）范德華力當(dāng)顆粒與顆粒相互靠近接觸時(shí)，顆粒分子間存在彼此作用的吸引力。影響顆粒間范德華力的因素：吸附氣體的影響增加顆粒間的范德華力。顆粒變形的影響增加顆粒間的范德華力。表面粗糙度的影響當(dāng)顆粒表面粗糙度的直徑小于10nm時(shí)，顆?？梢钥醋魇枪饣?；當(dāng)顆粒表面粗糙度的直徑大于100nm時(shí)，顆?？梢钥醋魇谴植诘?，此時(shí)顆粒間的范德華力被表面粗糙度屏蔽。 （2）顆粒間的靜電力荷電的途徑：一、顆粒在其生產(chǎn)過程中顆?？勘砻婺Σ炼鴰щ姡?/p>

9、二、與荷電表面接觸可使顆粒接觸荷電；三、氣態(tài)離子的擴(kuò)散作用是顆粒帶電的主要途徑，氣態(tài)離子由電暈放電、放射線、宇宙線、光電離及火焰的電離作用產(chǎn)生。由于電荷的轉(zhuǎn)移，顆粒將帶電，顆粒間有作用力的存在，稱為靜電力。（3）毛細(xì)管力當(dāng)粉體暴露在濕空氣的環(huán)境時(shí)，顆粒將吸收空氣中的水分。當(dāng)空氣的濕度接近飽和狀態(tài)時(shí)，不僅顆粒本身吸水，而且顆粒間的空隙將有水分的凝結(jié)，在顆粒接觸點(diǎn)形成液橋。當(dāng)顆粒間形成液橋時(shí)，由于表面張力荷毛細(xì)壓差的作用，顆粒間將有作用力存在，稱為毛細(xì)管力。 （4）磁性力鐵磁性物質(zhì)，例如鐵以及亞鐵磁性物質(zhì)（氧化鐵），當(dāng)其顆粒小到單疇臨界尺寸以下時(shí)，顆粒只含有一個(gè)磁疇，稱為單疇顆粒。理論上，鐵的單疇

10、臨界尺寸約為6.4nm，氧化鐵約為40nm。單疇顆粒粉末主要用于磁記錄材料和塑料永磁。鐵粉催化劑粉末往往也是單疇的。單疇顆粒是自發(fā)磁化的粒子，其內(nèi)部所有原子的自旋方向都已平行，勿需外加磁場來磁化就有磁性。粉末的單疇顆粒間存在著磁性吸引力。這種磁性吸引力很難分散，對(duì)其在液體介質(zhì)中的分散常需結(jié)合使用高頻磁場。（5）機(jī)械咬合力顆粒表面不平滑引起的。2.3 濕顆粒群特性濕顆粒群特性 2.3.1 粉體層的液體粉體層的液體 （1）擺動(dòng)狀態(tài)：顆粒接觸點(diǎn)上存在透鏡狀或環(huán)狀液相，液相互不連接。（2）鏈索狀態(tài)：隨著液體量增多，上述環(huán)長大，顆?？障吨械囊合嘞嗷ミB結(jié)而成網(wǎng)絡(luò)組織，空氣則分布其間。（3）毛細(xì)管狀態(tài)：顆粒間左右空隙全被液體充滿，僅在粉體層的表面存在氣液界面。（4）浸漬狀態(tài)：顆