第4章 粉體的潤濕

1、第四章第四章 粉體的潤濕粉體的潤濕建大華清學院建大華清學院4.1 粉體顆粒間的作用力粉體顆粒間的作用力s范德華力范德華力s靜電引力靜電引力s毛細管力毛細管力s磁性力和機械咬合力磁性力和機械咬合力范德華力范德華力n通常顆粒是沒有極性的，但由于構成顆粒的分子或原子，特別是顆粒表面的分子或原子的電子運動，將使顆粒有瞬時偶極，當兩顆粒相互接近時，由于瞬時偶極的作用，兩顆粒將產生相互吸收的作用力，這種作用力稱為顆粒間的范德華力范德華力。n直徑為d1和d2兩個顆粒間的范德華力為：n等徑球體間的范德華力為：n顆粒與平面間的范德華力：nh顆粒間的距離；A哈馬克常數(shù)，J。n式中的A適用于真空或近似適用于空氣中的

2、顆粒。1221212ddAFhdd 224A dFh 224A dFh 范德華力范德華力n 若兩個顆粒處于其它介質中，則應使用有效的Hamakar常數(shù)，其近似表達式為n式中A11是固體顆粒在真空中的Hamakar常數(shù)，A22是作為介質的那種液體的顆粒在真空中的Hamakar常數(shù)。一般而言，有效Hamakar常數(shù)比在真空中的該常數(shù)小一個數(shù)量級，若固體與液體的物質本性接近，即A1111與A2222接近，則A越小。故溶劑化極好的顆粒之間就不存在范德華力。范德華力范德華力 21122=AAA 靜電引力靜電引力n帶電的顆粒間有作用力的存在，稱為靜電力。靜電力。n兩個直徑均為d的顆粒，帶有異號靜電荷分別為

3、Q1、Q2，它們之間的引力為：na: 顆粒表面間的距離dadQQF21221n粉末中的水分：化合水分(如結晶水)、表面吸附水分和附著水分。n附著水分附著水分是指兩個顆粒接觸點附近由于毛細管力吸附的水分。水的表面張力的收縮作用而引起的兩個顆粒之間的牽引力，稱為毛細管力毛細管力。毛細管引力毛細管引力磁性力 鐵磁性物質，及亞鐵磁性物質，當其顆粒尺寸小到單疇臨單疇臨界尺寸界尺寸以下時，顆粒只含有一個磁疇，稱為單磁疇顆粒單磁疇顆粒。單磁疇顆粒存在磁性吸引力。這種顆粒粉體難以分散難以分散，在液體介質中進行分散時，常需結合使用高頻磁場高頻磁場。機械咬合力 顆粒表面不平滑時會使顆粒之間存在機械咬合力，特別是當

4、粉體密度較大或擠壓成型時，機械咬合力突顯，甚至占主導地位。粉體層中的液體粉體層中的液體粉體層中的液體粉體層中的液體 黏附液：黏附液：粘附在顆粒表面上的液體； 楔形液：楔形液：滯留在顆粒表面的凹穴中或溝槽內，即 在顆粒之間的切點乃至接近切點處形成 鼓狀的自由表面而存在的液體； 毛細管上升液毛細管上升液：保留在顆粒間隙中的液體； 浸沒液：浸沒液：浸沒顆粒的液體。粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性 潤濕性潤濕性是指固體界面由固-氣界面變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象。 接觸角接觸角：當固液表面相接觸時，在界面處形成的一個夾角。n 用接觸角來衡量液體(如水)對固體如無機材料)表面潤濕的程度，各種表面張力的作用關系可

5、用楊氏方程表示為：式中，式中，SG固體、氣體之間的表面張力固體、氣體之間的表面張力; LS液體、固體之間的表面張力液體、固體之間的表面張力; LG液體、氣體之間的表面張力液體、氣體之間的表面張力; 液氣與液固界面之間的接觸角。液氣與液固界面之間的接觸角。粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性cosSGLSLGSGLSLG圖4-2粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性完全潤濕（擴展?jié)櫇瘢┩耆珴櫇瘢〝U展?jié)櫇瘢?完全不潤濕完全不潤濕易潤濕（浸漬潤濕）易潤濕（浸漬潤濕） 不易潤濕（黏附潤濕）不易潤濕（黏附潤濕）圖圖4-3 固體的潤濕性固體的潤濕性完全潤濕（擴展?jié)櫇瘢┩耆珴櫇瘢〝U展?jié)櫇瘢?完全不潤濕完全不潤濕易潤濕

6、（浸漬潤濕）易潤濕（浸漬潤濕） 不易潤濕（黏附潤濕）不易潤濕（黏附潤濕）圖圖4-3 固體的潤濕性固體的潤濕性LLL 如圖4-4所示，將固體單位表面上的液滴去掉時所要做的功為WLSLS為黏附功黏附功；這樣的潤濕被稱為黏附潤濕。當液滴置于光滑的固體表面上，并處于平衡狀態(tài)時：WLSLS越大，液滴越容易黏附在固體表面上，為負值時，固體表面排斥液滴。SGcos=(1 cos )LSLGLSLGWSG=LSLGLSW粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性圖4-4 為了使黏附于固體表面上的液滴在固體表面廣泛分布。則應滿足下式SGcosLSLG 粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性SGSLLG圖4-2如圖4-5所示，將

7、在固體表面上的液滴薄膜還原單位面積需要的功為：SLS為擴展系數(shù)擴展系數(shù)，這樣的潤濕稱為擴展?jié)櫇?。SG()LSLGLSS圖4-5 如圖4一6所示，將浸漬在固體毛細管中的液體還原單位面積，使暴露出新的固體表面所需要的功ALSLS，為或者 cosLSLGLSAA黏為，這種潤附張力浸濕為漬潤濕。粉體表面的潤濕性粉體表面的潤濕性SGLSLSA圖4-6n粉體分散在液體中的現(xiàn)象相當于浸漬潤濕；n液體和氣體的界面沒有發(fā)生變化，作為浸漬潤濕的情況處理。n液體浸透到粉體層中時，與毛細管中液體浸漬情況相同。n 粉體與固體或粉體顆粒之間的間隙部分存在液體時，稱為液橋液橋。n 當顆粒形成液橋時，由于表面張力表面張力和毛

8、細壓差毛細壓差的作用，顆粒間將有力的存在，稱為毛細力或液橋力毛細力或液橋力。n 液橋除能在各種單元操作中形成外，當空氣的相對濕度超過65%時，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集，從而增加顆粒間的黏結力。s液體架橋液體架橋33=2=ACDO CBBCDACDBCDO CBACD 331aa=r+cos(1cos)22coscos()a(1cos)2CBrrO CBrCBO CR 液體架橋液體架橋O1O2O3CBAE DLSLGF顆粒間液橋模型顆粒間液橋模型31sin()O BR1a(1cos)2cos()rR O1O2O3CBAE D 21311()1sinsinsin1RCARO BCARrRO

9、1O2O3CBAE DLSLGF1211PRR 毛細管壓力毛細管壓力P為為凹面凹面R1取正值，凸面取正值，凸面R2取負值，取負值，P為負壓取正值；因此為負壓取正值；因此 R1 R2為負壓，反之為正壓，為負壓，反之為正壓，為液體的表面張力。為液體的表面張力。1211-PRR 液體架橋液體架橋 設毛細管壓力設毛細管壓力P P作用在液面與球的接觸部分的斷面作用在液面與球的接觸部分的斷面 上上 產生的水平作用力為產生的水平作用力為 ，表面張力表面張力平行于兩顆粒中心連線的分量平行于兩顆粒中心連線的分量cos90-cos90-(+)=(+)=sin(+)作用在圓周作用在圓周2(rsin)上產生的水上產生

10、的水平力為平力為 ，所以顆粒間的毛細，所以顆粒間的毛細力：力： 2sin r 2sinpr sin2sinr 21211sin2sinsinKFrrRR 1(1cos)2cos()arR 21sinsin1RrR液體架橋液體架橋 當兩個顆粒相接觸，間距a=0，顆粒表面親水，接觸角=0時2(sec2Prtansec-1)(tansec1)液體架橋液體架橋21tan2rH 液體的內部壓力顆粒間的附著力液體架橋液體架橋 由表可知，隨著玻璃球半徑的減小，鉗角的增大，附著力和自重均減小，但重力減小更快，因而附著力與自重比值增大，因此顆粒越小越容易附著聚集。n 液橋的黏結力比分子間作用力大液橋的黏結力比分

11、子間作用力大12個數(shù)量級，故個數(shù)量級，故濕空氣中顆粒的粘結力以液橋附著力為主。濕空氣中顆粒的粘結力以液橋附著力為主。 1.4 1.8kFr 4kFr 顆粒顆粒- -顆粒顆粒顆粒顆粒- -平板平板 如顆粒表面親水，則如顆粒表面親水，則 0；當顆粒與顆；當顆粒與顆粒相接觸（粒相接觸（a=0)，且，且=1040時，則：時，則：液體架橋液體架橋n 毛細現(xiàn)象是指在毛細力的作用下，液體發(fā)生宏觀流動的現(xiàn)象。毛細現(xiàn)象的實質是液面曲率差導液面曲率差導致液體內部壓力差致液體內部壓力差。n接觸角 90，凸形液面，引起毛細下降。液體在粉體層毛細管中的上升高度液體在粉體層毛細管中的上升高度n設A和B點處于同一水平面積，

12、A點的壓力為PA，B點的壓力為大氣壓Pa，液面為半徑R的球面，根據(jù)楊氏公式，222AaABapPghRpPPghRhgRcccos ,=cos22cosr4cos12rccrrRhgRgg即R液體在粉體層毛細管中的上升高度液體在粉體層毛細管中的上升高度n液體在毛細管中的上升高度為：液體在毛細管中的上升高度為：crgh21cos4 故，毛細管常數(shù)為故，毛細管常數(shù)為 4cos2 hrgc對粉體層，以顆粒直徑對粉體層，以顆粒直徑D Dp p代替毛細管管徑代替毛細管管徑2r2rc c，用，用h hc c代替代替h h，則粉體層的毛細管常數(shù)為則粉體層的毛細管常數(shù)為 coscpchgDK 求得毛細管常數(shù)求得毛細管常數(shù)K Kc c，即可計算毛細管上升高度。，即可計算毛細管上升高度。液體在粉體層毛細管中的上升高度液體在粉體層毛細管中的上升高度n對于一定填充方式的粉體，單位質量粉體的孔隙數(shù)np p和顆粒數(shù)成正比：n設孔隙的平均體積為Vp p，單位質量粉體孔隙總體積為VZ Z，則n由于單位體積的孔隙體積為，質量為(1-)p p，因此2/ppn