第三章-粉体的物性与流变学ppt课件

1、1,第三章 粉体物性与流变学,粉体的密度 粉体的填充与堆积特性 粉体的流变学 粉体间的润湿性能,2,第一节 粉体的密度,粉体的密度是指单位体积粉体的质量。 粉体的密度根据所指的体积不同分为： 真密度、颗粒密度、松密度、振实密度,一、粉体密度的概念,3,1、真密度（true density) t 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量,是指粉体质量（w）除以不包括颗粒内外空隙 的体积（真体积Vt）求得的密度,t = w/Vt,4,2、颗粒密度（granule density) g,是指粉体质量除以颗粒体积Vg所求得密度。 颗粒体积（Vg）：包括封闭细孔在内的体积，而颗粒表面的凹下、裂缝、开口的孔洞

2、不包括在内,g = w/Vg,或 p,5,粉体质量除以该粉体所占容器的体积V（堆积体积） 堆积体积（Vb）： 包括颗粒体积及颗粒之间空隙的体积,3、松密度（bulk density) b 亦称表观密度、容积密度、填充体积,b= w/Vb,6,填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得 的密度称振实密度（tap density） bt,4、振实密度（tap density） bt,bt= w/V,若颗粒致密，无细孔和孔洞，则t = g 一般： t g bt b,7,一）真密度与颗粒粒度的测定： 常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。 液浸法：采用加热或减压脱气法测定粉体所排开 的液体体积，即为粉

3、体的真体积,二、粉体密度的测定方法,8,比重瓶法,测量原理：将粉体置于加有液体介质的容器中，并让液体介质充分浸透到粉体颗粒的开孔中。根据阿基米德原理，测出粉体的颗粒体积，进而计算出单位颗粒体积的质量,比重瓶法测定基本步骤,1）比重瓶体积的标定 （2）粉体质量的称量 （3）粉体体积的测定,9,将粉体装入容器中所测得的体积包括粉体真体积、 粒子内空隙、粒子间空隙等。 测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填 方式等均影响粉体体积。 不施加外力时所测得的密度为松密度 施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的 密度是振实密度,二）松密度与振实密度的测定,10,松装密度测定装置一,a) 装配图,b)

4、 流速漏斗,c) 量杯,11,松装密度测定装置二,1) 漏斗,2) 阻尼箱,3) 阻尼隔板,4) 量杯,5) 支架,12,空隙率（porosity）是粉体中空隙所占有的比率。 粒子内空隙率 内=（Vg-Vt ） / Vg =1-g / t 粒子间空隙率 间= （ V-Vg ） / V = 1- b/g 总空隙率 总= （ V -Vt ） / V =1- b/t,一、粉体的空隙率,第二节 粉体的填充与堆积,13,在一定填充状态下，颗粒体积占粉体填充体积的 比率,二、粉体的填充率,三、粉体颗粒的填充与堆积 3.1 等径球形颗粒群的规则堆积,排列层：正方形排列层和单斜方形排列层或六方形排列层。将各个

5、基本排列层汇总起来，可得到六种排列形式,立方最密填充,立方体,正斜方体,面心立方体,正斜方体,楔形四面体,六方最密,15,单元体：连接相邻的8个球的球心所得到的一个 平行六面体,16,最松,最密,等径球形颗粒群的规则堆积示意图,配位数：粉体填充体现中，平均一个颗粒和相 邻颗粒接触的点数,等径球规则填充的结构特性,18,空隙率的推导（立方最密填充） 设单元体的棱长为a，球半径为R,相当于把一个半径为 R的球放入到边长为 2R 的立方体中,19,最松,最密,等径球形颗粒群的规则堆积示意图,20,从等径球的六种填充的性质表明： a：等径球规则填充的填充率随着配位数增加而 增加； b：等径球规则填充时

6、最疏松的填充是配位数为6的填充，其填充率仅为52.36%，最紧密的填充为配位数12的填充，其填充率为74.06,21,3.2 随机或不规则填充,1）随机密填充 ：=0.3590.375 2）随机倾倒填充 ： =0.3750.391 3）随机疏填充 ： =0.40.41 4）随机极疏填充： =0.460.47,四、影响颗粒堆积的因素,1）壁效应 当颗粒填充容器时，在容器壁附近形成特殊的排列结构，称为壁效应。 （2）局部填充结构 排列结构的局部变化（如空隙率分布、填充数密度分布和接触点角度分布等）对粉体现象有很大影响,23,3）物料的含水量 形成团聚体，使整个物料堆积率下降。 潮湿物料颗粒表面吸水

7、，颗粒间形成液桥力，导致粒间附着力增大，形成二次、三次粒子，即团粒。由于团粒尺寸较一次粒子大，并且团粒内部保持松散的结构。 颗粒间凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动,4）颗粒形状 空隙率随颗粒球形度的降低而增高,26,5）粗糙度系数 空隙率随粗糙度系数的增大而增高,6）粒度大小 对颗粒群而言，粒度越小，由于粒间团聚作用，空隙率越大。当粒度为某一定值时，粒度大小对颗粒堆积率的影响已不复存在，比值为临界值。 随粒径增大，与粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略不计。粒径变化对堆积率的影响大大减小。因此，通常在细粒体系中，粒径大于或小于临界粒径的物料对颗粒体行为有举足轻重的作用。 （7）物料堆积的填充速度

8、 对粗颗粒，较高的填充速度会导致物料比较松散，但对于像面粉那样具有粘聚力的细粉，较高的供料速度可得到较致密的堆积,28,五、非均一球形颗粒的填充结构,粒度不同的两种球形颗粒，小颗粒的粒度越小，填充率越高， 填充率随大小颗粒混合比而变化， 大颗粒质量比率为70时，填充率最大,设密度1的大颗粒单独填充时空隙率为1，将2、2的小颗粒填充到大颗粒的空隙中，则填充体单位体积大颗粒的质量W1为： W1（11） 1 小颗粒质量 W2 1 （1 2 ） 2 混合物中大颗粒的质量比率为 对于同材质的球形颗粒， 1 2 ，12 0.4时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为0.71,30,第三节 粉体的流变学,粉体的

9、流动性（flowability）与粒子的形状、大小、 表面状态、密度、空隙率等有关。 粉体的流动形式： 重力流动、振动流动、压缩流动、流态化流动,一、粉体的流动性,31,32,1. 粉体的摩擦角 由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为摩擦角。 类型： 休止角、内摩擦角、壁面摩擦角、滑动角,二、粉体流动性的评价与测定方法,33,粉体堆积层的自由斜面在静止的平衡状态下，与水平面所形成的夹角。 用表示， 越小流动性越好 可视为粉体的“粘度” 常用的测定方法： 注入法 排出法 倾斜角法,2、休止角（安息角）( angle of repose,34,2.1 休止角的测定方法,将粉体注入到某一有限直径

10、的圆盘中心上，直到粉体堆积层斜边的物料沿圆盘边缘自动流出为止，停止注入，测定休止角,tan=h/r,35,崩塌角：测定休止角后，将重物至某定高处自由 落下，使料堆产生振动，此时形成的锥角。 差角：休止角崩塌角,36,对于细颗粒，安息角与粉体从容器流出的速度、 容器的提升速度、转筒的旋转速度有关。 安息角不是细颗粒的基本物性 几点讨论： 球形颗粒： =2328，流动性好。 规则颗粒： 30， 流动性较好。 不规则颗粒： 35， 流动性一般。 极不规则颗粒： 40， 流动性差,37,2.2 影响休止角的因素,1） 颗粒的形状 （2） 颗粒的大小 （3 ）粉体的填充状态 对于不同粉体，空隙率越大，填

11、充越困难，休止角越大 对于同种粉体，空隙率越小，休止角越大（接触点增多） （4） 振动 （5） 粉料中通入压缩空气时，休止角显著地减小,38,将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时 间，即为流出速度。 流出速度越大，粉体流动性越好,3、 流出速度(flow velocity,39,3.1 流出速度的测定,M：流出粉体的总质量 S：粉体比表面积 R：粗糙度系数 S0：小孔面积,40,1.增大粒子大小 对于粘附性的粉状粒子进行造粒，以减少粒子间的接触点数，降低 粒子间的附着力、凝聚力。 2.粒子形态及表面粗糙度 球形粒子的光滑表面，能减少接触点数，减少摩擦力。 3.含湿量 适当干燥有利于减弱粒

12、子间的作用力。 4.加入助流剂的影响 加入0.5%2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大改善粉 体的流动性。但过多使用反而增加阻力,3.2 粉体流动性的影响因素与改善方法,41,4、内摩擦角 4.1 粉体流动性特点 粉体层受力小，粉体层外观上不产生变化； 作用力达到极限应力，粉体层突然崩坏 崩坏前的状态称为极限应力状态,42,4.2 极限应力 在粉体层的任意面上加一定的垂直（正）应力 ，若沿这一面的剪应力逐渐增加，当剪应力达到某一极限值时，粉体沿此面产生滑移,垂直（正）应力：应力方向垂直于所作用的微元体平面； 剪应力（切应力）：应力作用方向平行于所作用的微元体平面,43,4.3 库仑定律 粉体层的

13、应力应变关系： 4.4 库伦粉体 若滑移面上的切应力与垂直应 力成正比,44,C=0，可忽视粉体颗粒间的附着力，因此流动性好 C0，属于粘性粉体。 影响初抗剪强度的因素： 温度、粒度及粒度分布 存放时间、填充程度,45,4.5 内摩擦角,粉体层上任意一点的应力关系,46,4.6 内摩擦角的确定,直剪试验,47,48,5、壁摩擦角和滑动摩擦角,壁面摩擦角( )：粉体层与壁面之间的摩擦角。 滑动角( )：粉体层中每个粒子与壁面之间的摩 擦角。 （研究旋风分离收集料斗中颗粒沿锥壁下降过程,49,6、 莫尔圆（二元应力系）在应力（或应变）坐标图上表示受力物体内一点中各截面上应力（或应变）分量之间关系的

14、圆。粉体层内任意一点上的正应力，剪应力，可用最大主应力1 、最小主应力3 ，以及 、 的作用面和1的作用面之间的夹角来表示,50,线为直线a： 处于静止状态 -线为直线b： 临界流动状态/流动状态 -线为直线c： 不会出现的状态,粉体处于静止 粉体沿该平面滑移 不会发生,7、 粉体流动和临界流动的充要条件 莫尔-库仑定律,52,表示物质压缩的程度； 大小反映粉体的凝聚性、松软状态。 C=(bt - b)/ bt 100% C为压缩度；b为最松密度；bt为振实密度。 压缩度20%以下流动性较好。 压缩度增大时流动性下降,8、压缩度( compressibility,53,静压缩：对整个表面均匀的

15、压缩 冲击压缩： 撞击压缩 锤击压缩 爆炸压缩,8.1 压缩方式,54,压缩使粉体粒子之间和粒子内部发生的变化： （1）粉体粒子间相互推挤，加压的能量消耗在 粒子间的摩擦上； （2）粉体内的架桥崩溃，加压能消耗在粉体和 器壁的摩擦上； （3）粉体粒子间的物理啮合，加压能消耗在粒 子变形上及作为残余应力； （4）粉体粒子的破坏，加压能消耗在粒子的变形 和破坏,8.2 压缩过程,55,拱桥效应： 颗粒互相交错咬合，形成 拱桥空间,当粉体颗粒B落在A上，粉体B 受到的重力为G，则在接触处 产生反作用力，其合力为P， 大小与G相等，但方向相反,粉体自由堆积的孔隙率 往往比理论计算值大很多,56,物料,

16、固定螺丝,bt,b,8.3 压缩度的测定,57,测定压缩度仪器轻敲测定仪,58,9、开放屈服强度 fc,开放屈服强度：与自由表面相垂直的表面上只 有正应力而无切应力。 此正应力是使拱破环的最大正应力 fc是粉体的物性,料仓 结拱,59,60,9.1 开放屈服强度(fc)测定,被密实的粉体试样不倒塌（b），具有一定的密实强度， 这一密实强度就是开放屈服强度。 粉体试样倒塌（c），粉体的开放屈服强度=0。 fc小的粉体，流动性好，不易结拱,61,10、流动函数,62,三. 影响粉体流动的因素,1、温度和化学变化 2、湿度 3、粒度 4、振动 4、冲击作用 5,63,第四节 粉体间的作用力,一、粘附

17、与凝聚 粘附性：指不同分子间产生的引力，如粉体的粒 子与器壁间的粘附（附着力）； 凝聚性：指同分子间产生的引力(内聚力,64,产生粘附性与凝聚性的主要原因： 干燥状态下： 范德华力(取向力、诱导力、色散力)、静电力 润湿状态下：液体桥、固体桥 液体桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分 存在液体 固体桥：溶解的溶质干燥而析出结晶,65,二、分子间作用力 作用于粉体粒子分子间的范德华力,对于半径分别为R1及R2的两个 球形颗粒，分子间作用力FM为,对于球与平板,h颗粒间距，nm A哈马克（Hamaker）常数，J,66,例】 同种物质的直径为1m的球形颗粒，其密度为10103kg/m3，当两者表

18、面相距0.01 m时，设 A1020 J，试判断这两个聚集的颗粒能否因重力作用而分离,67,三、静电作用,荷电的途径： （1）表面摩擦带电 （2）与荷电表面接触 （3）气态离子的扩散作用,Q1、Q2两颗粒表面带电量，C a 两颗粒的表面间距 Dp颗粒直径,68,一）润湿作用,润湿作用：凝聚态物体表面上一种流体取代另一种 流体的过程。 粉体的润湿性：指固体界面由固-气界面变为固-液界 面现象。沾湿、浸湿、铺展,四、颗粒间的毛细管力,69,1）沾湿（粘附,液,固,液体在固体表面沾湿过程的示意图,70,粘附功,在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功,粘附过程表面

19、吉布斯自由能变化值,粘附功,71,影响粘附性能的因素： 1）固体表面的清洁度 如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形成吸附膜， 会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。 2）固体的分散度 一般说，固体细小时，粘附效应比较明显，提高固体的分散度，可以扩大接触面积，从而可增加粘附强度。 3）外力作用下固体的变形程度 如果固体较软或在一定的外力下易于变形，就会引起接触面积的增加，从而提高粘附强度,72,s,2）浸湿,固体浸湿过程,浸湿功(work of immersion,等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体 可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功,Wi0时，自发进行,73,3）铺展,固,液,气,液体在固

20、体表面上的铺展,74,铺展系数(spreading coefficient,等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用S表示,75,二）接触角及其与润湿方程（1）接触角在干净、平滑的固体表面上的平衡液滴，其气、液、固三相交界处自固液界面经液体内部到气液界面的夹角,76,Young方程，又称为润湿方程,达到平衡时三个界面张力在三相交界线上力的矢量和为零，界面张力与接触角有如下关系,77,1）完全润湿,时，Young方程不成立,当,润湿类型,78,2）润湿,润湿(亲液性固体,79,3）不润湿,不润湿(憎液性固

21、体,80,的大小用来判断润湿与否，角越小润湿效果越好,81,氧化铝瓷件上需要涂银，当加热到1373K时，计算液态 银与氧化铝瓷件表面的接触角，并判断液态银能否润湿 氧化铝瓷件的表面？ 已知该温度下氧化铝的表面张力 s-g =1.0N/m，液态银 的表面张力l-g =0.88N/m，液态银于固体氧化铝的界面 张力s-l=1.77N/m,82,例】粉体润湿性能的应用浮游选矿,首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。 在池水中加入捕集剂和起泡剂等 表面活性剂,搅拌并从池底鼓气，带有有效矿 粉的气泡聚集表面，收集并灭泡 浓缩，从而达到了富集的目的,不含矿石的泥砂、岩石留在池 底，定时清除,83,三）粉体层的液体

22、,根据液体存在的位置分为四类： 1）粘附液：粘附在颗粒的表面上 2）楔形液：滞留在颗粒表面的凹 穴中或沟槽内 3）毛细管上升液：保留在颗粒之 间的间隙中 4）浸没液：浸没在液体中,84,四）颗粒间的毛细管力,1) 液桥： 粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体 时，称为液桥 单元操作：过滤、离心分离、造粒 空气湿度：6080,85,A,B,ps,p0,凸面,A,B,ps,p0,凹面,水平面: pl = p0 凸液面: pl p0 凹液面: pl 0 ps = plp0 0,2) 弯曲表面下的附加压力,86,特殊式（对球面,一般式（对不规则曲面,杨-拉普拉斯（ Young-Laplace）公

23、式,R1、 R2是某一曲面上最大和最小曲率半径,87,3) 毛细管作用力： 毛细管插入液体中，管中液面呈凹形，曲面受到向上的附加压力，曲面下的液体受到的p p0，则管外液体被压入管中而使管内液面上升,凹液面上升h高度后，液柱静压力与凹面附加压力ps相等而达平衡,88,曲率半径R与毛细管半径R的关系,毛细管上升公式,89,颗粒间液桥模型图,90,91,设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面 上，而表面张力平行于两颗粒连线的分量 作用在圆周 上，则液桥附着力由下式表示,92,如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（a0）， 且100400时，则 (颗粒颗粒) （颗粒平板,93,4) 粉体接触角测量

24、方法 透过测量法 基本原理：固体粒子间的空隙 相当于一束毛细管，毛细作用 使液体透入粉末中，液面在毛 细作用下沿管中粉末柱上升h,94,液体在粉体层毛细管中的上升高度,95,只要测得粉末间孔隙的平均半径R和 液体的表面张力 可得到接触角 R值无法直接测定，用一已知表面张力为 、 密度 和对粉末接触角为0的液体来标定,96,通过测定h、h0可求得。 使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况,对于粉体在未知液体中的透过,97,1.1 对液体而言，满足如下定律： （1）压力与深度成正比即帕斯卡定律 （2）同一液面上压力相等，即连通器定律,第五节 粉体(静)压力计算,一、Janssen公式,98,容器内

25、的粉体层处于极限应力状态； 同一水平面的垂直压力恒定； 粉体的基本物性和填充状态均一， 为常数,1.2 静态粉体压力，Jassen（詹森）作如下假设,99,圆筒形容器（截面积为A）； h深处的微元层（A dh）作为研究对象； 铅垂方向作受力分析,100,上层静压力粉体层自重 下层静压力摩擦力,水平压力,101,取h深处的微元层作为研究对象，当其受力平衡时，在铅垂方向作受力分析为,根据极限莫尔圆原理及假定1，对非粘性粉体，有,将上式整理后得,102,积分后得,103,根据边界条件可知，当时 时， ，得,即：深度为h时，粉体铅垂压力p与高度h 的关系为,代入得,104,筒仓内粉体压力分布,粉体压力饱和现象： 当粉体填充高度达到一定值后。P 趋于常数,105,水平压力,若粉体层的上表层有外载荷 p0 存在