粉體的流動(dòng)性在粉體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣,對(duì)粉體的生產(chǎn)、輸送、儲(chǔ)存、裝填以及粉末冶金、醫(yī)藥組分的混合、殺蟲劑的噴灑等都有影響,研究粉體的流動(dòng)性,對(duì)于粉體設(shè)備的設(shè)計(jì)以及一些工藝的設(shè)計(jì)等具有重要意義。
粉體之所以流動(dòng),其本質(zhì)是粉體中粒子受力的不平衡,對(duì)粒子受力分析可知,粒子的作用力有重力、顆粒間的黏附力、摩擦力、靜電力等,對(duì)粉體流動(dòng)影響最大的是重力和顆粒間的黏附力。
幾種粉體流動(dòng)性差的表現(xiàn)形式
一、影響粉體流動(dòng)性的因素
影響粉體流動(dòng)性的因素非常復(fù)雜,粒徑分布和顆粒形狀對(duì)粉體的流動(dòng)性具有重要影響。此外,溫度、含水量、靜電電壓、粉體間相互作用等因素也對(duì)粉體的流動(dòng)性產(chǎn)生影響。
(1)顆粒粒度
顆粒粒度影響粉體流動(dòng)性的原因有三。
①粉體比表面積與粒度成反比,粉體粒度越小,則比表面積越大。隨著粉體粒度的減小,粉體之間分子引力、靜電引力作用逐漸增大,降低粉體顆粒的流動(dòng)性。
②粉體粒度越小,粒子間越容易吸附、聚集成團(tuán),黏結(jié)性增大,導(dǎo)致休止角增大,流動(dòng)性變差。
③粉體粒度減小,顆粒間容易形成緊密堆積,使得透氣率下降,壓縮率增加,粉體的流動(dòng)性下降。
(2)顆粒形態(tài)
除了顆粒粒徑以外,顆粒形態(tài)對(duì)流動(dòng)性的影響也非常顯著。粒徑大小相等,形狀不同的粉末其流動(dòng)性也不同。顯而易見,球形粒子相互間的接觸面積最小,其流動(dòng)性最好。針片狀的粒子表面有大量的平面接觸點(diǎn),以及不規(guī)則粒子間的剪切力,故流動(dòng)性差。
(3)溫度
熱處理可使粉末的松裝密度和振實(shí)密度增加。因?yàn),溫度升高后粉末顆粒的致密度提高。但是當(dāng)溫度升高到一定程度后,高溫下粉體的黏附性明顯增加,粉體的流動(dòng)性會(huì)下降。如果溫度超過粉體熔點(diǎn)時(shí),粉體會(huì)變成液體,使黏附作用更強(qiáng)。
(4)粉體間相互作用
粉體間的摩擦性質(zhì)和內(nèi)聚性質(zhì)對(duì)粉體的流動(dòng)性同樣有著很大的影響。粒度和形態(tài)不同的粉體,其內(nèi)聚性和摩擦性對(duì)粉體流動(dòng)性的影響程度是不同的。
當(dāng)粉體粒度較大時(shí),粉體流動(dòng)性主要取決于粉體的形貌,因體積力遠(yuǎn)大于粉粒間的內(nèi)聚力,表面粗糙的粉體顆;蚴切螒B(tài)不均勻的粉體顆粒的流動(dòng)性都較差。
當(dāng)粉體顆粒很小,粉體的流動(dòng)性主要取決于粉體顆粒間的內(nèi)聚力,此時(shí)的體積力遠(yuǎn)小于顆粒間的內(nèi)聚力。
(5)水分含量
粉末干燥狀態(tài)時(shí),流動(dòng)性一般較好,如果過于干燥,則會(huì)因?yàn)殪o電作用導(dǎo)致顆粒相互吸引,使流動(dòng)性變差。
當(dāng)含有少量水分時(shí),水分被吸附顆粒表面,以表面吸附水的形式存在,對(duì)粉體的流動(dòng)性影響不大。
水分繼續(xù)增加,在顆粒吸附水的周圍形成水膜,顆粒間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的阻力變大,導(dǎo)致粉體的流動(dòng)性下降。
當(dāng)水分增加到超過最大分子結(jié)合水時(shí),水分含量越多其流動(dòng)性指數(shù)越低,粉體流動(dòng)性越差。
二、改善粉體流動(dòng)性的辦法
(1)增大粒子大小。對(duì)于粘附性的粉狀粒子進(jìn)行造粒,以減少粒子間的接觸點(diǎn)數(shù),降低粒子間的附著力、凝聚力。
(2)改善粒子形態(tài)及表面粗糙度。球形粒子的光滑表面,能減少接觸點(diǎn),減少摩擦力。
(3)降低含濕量。適當(dāng)干燥有利于減少粒子間的作用力。
(4)加入助流劑。加入0.5%~2%滑石粉、微粉硅膠等助流劑可大大改善粉體流動(dòng)性。但過多使用反而增加阻力。
三、如何測量粉體的流動(dòng)性
流動(dòng)形式以及其相對(duì)應(yīng)的流動(dòng)性評(píng)價(jià)方法
常用粉體流動(dòng)性的度量方法
(1)休止角
休止角是粉體堆積層的自由斜面在靜止平衡狀態(tài)下,與水平面形成的最大角。常用的測定方法有注入法,排出法,容器傾斜法,如下圖所示。
注入法
排出法
容器傾斜法
休止角不僅可以直接測定,而且可以測定粉體層的高度和圓盤半徑后計(jì)算而得。即tanα=h/r。
休止角是是檢驗(yàn)粉體流動(dòng)性的好壞的最簡便的方法。休止角越小,摩擦力越小,流動(dòng)性越好,一般認(rèn)為θ≤40°時(shí)可以滿足生產(chǎn)流動(dòng)性的需要。
粘附性粉體或粒子徑小于100~200μm以下粉體的粒子間相互作用力較大而流動(dòng)性差,相應(yīng)地所測休止角較大。
值得注意的是,測量方法不同所得數(shù)據(jù)有所不同,重現(xiàn)性差,所以不能把它看作粉體的一個(gè)物理常數(shù)。
(2)流出速度
流出速度是將物料加入漏斗中測定全部物料流出所需的時(shí)間來描述,時(shí)間越長,流出速度越慢,粉體的流動(dòng)性越差。測定裝置如下圖所示。
一些粉體的流動(dòng)性很差,不能自由流出時(shí),可以加入100μm的玻璃球助流,測定自由流動(dòng)所需玻璃球的量(w%),以表示流動(dòng)性。加入量越多流動(dòng)性越差。
(3)壓縮度
壓縮度將一定量的粉體輕輕裝入量筒后測量最初松體積;采用輕敲法使粉體處于最緊狀態(tài),測量最終的體積;計(jì)算最松密度ρ0與最緊密度ρf;根據(jù)公式12-31計(jì)算壓縮度c。
壓縮度是粉體流動(dòng)性的重要指標(biāo),其大小反映粉體的凝聚性、松軟狀態(tài)。壓縮度20%以下時(shí)流動(dòng)性較好,壓縮度增大時(shí)流動(dòng)性下降,當(dāng)C值達(dá)到40%~50%時(shí)粉體很難從容器中自動(dòng)流出。
(4)內(nèi)部摩擦系數(shù)μ。
對(duì)靜止的粉體層施加垂直應(yīng)力σ,在水平方向施加剪切應(yīng)力τ。當(dāng)τ值較小時(shí)粉體層處于靜止?fàn)顟B(tài),τ值逐漸增大到某一值時(shí)粉體層開始滑動(dòng),這種剛剛使粉體層開始滑動(dòng)的狀態(tài)叫限界應(yīng)力狀態(tài)。在限界應(yīng)力狀態(tài)下垂直應(yīng)力σ與剪切應(yīng)力τ之間的關(guān)系為: τ=μσ+C,μ表示摩擦系數(shù),C表示粘附力。C=0時(shí),叫自由流動(dòng)粉;C≠0時(shí),為粘附性粉體。根據(jù)μ、以及C的大小評(píng)價(jià)流動(dòng)性,這些數(shù)字越小流動(dòng)性越好。