第4章 粉体的润湿

1、第四章第四章 粉体的润湿粉体的润湿建大华清学院建大华清学院4.1 粉体颗粒间的作用力粉体颗粒间的作用力s范德华力范德华力s静电引力静电引力s毛细管力毛细管力s磁性力和机械咬合力磁性力和机械咬合力范德华力范德华力n通常颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子，特别是颗粒表面的分子或原子的电子运动，将使颗粒有瞬时偶极，当两颗粒相互接近时，由于瞬时偶极的作用，两颗粒将产生相互吸收的作用力，这种作用力称为颗粒间的范德华力范德华力。n直径为d1和d2两个颗粒间的范德华力为：n等径球体间的范德华力为：n颗粒与平面间的范德华力：nh颗粒间的距离；A哈马克常数，J。n式中的A适用于真空或近似适用于空气中的

2、颗粒。1221212ddAFhdd 224A dFh 224A dFh 范德华力范德华力n 若两个颗粒处于其它介质中，则应使用有效的Hamakar常数，其近似表达式为n式中A11是固体颗粒在真空中的Hamakar常数，A22是作为介质的那种液体的颗粒在真空中的Hamakar常数。一般而言，有效Hamakar常数比在真空中的该常数小一个数量级，若固体与液体的物质本性接近，即A1111与A2222接近，则A越小。故溶剂化极好的颗粒之间就不存在范德华力。范德华力范德华力 21122=AAA 静电引力静电引力n带电的颗粒间有作用力的存在，称为静电力。静电力。n两个直径均为d的颗粒，带有异号静电荷分别为

3、Q1、Q2，它们之间的引力为：na: 颗粒表面间的距离dadQQF21221n粉末中的水分：化合水分(如结晶水)、表面吸附水分和附着水分。n附着水分附着水分是指两个颗粒接触点附近由于毛细管力吸附的水分。水的表面张力的收缩作用而引起的两个颗粒之间的牵引力，称为毛细管力毛细管力。毛细管引力毛细管引力磁性力 铁磁性物质，及亚铁磁性物质，当其颗粒尺寸小到单畴临单畴临界尺寸界尺寸以下时，颗粒只含有一个磁畴，称为单磁畴颗粒单磁畴颗粒。单磁畴颗粒存在磁性吸引力。这种颗粒粉体难以分散难以分散，在液体介质中进行分散时，常需结合使用高频磁场高频磁场。机械咬合力 颗粒表面不平滑时会使颗粒之间存在机械咬合力，特别是当

4、粉体密度较大或挤压成型时，机械咬合力突显，甚至占主导地位。粉体层中的液体粉体层中的液体粉体层中的液体粉体层中的液体 黏附液：黏附液：粘附在颗粒表面上的液体； 楔形液：楔形液：滞留在颗粒表面的凹穴中或沟槽内，即 在颗粒之间的切点乃至接近切点处形成 鼓状的自由表面而存在的液体； 毛细管上升液毛细管上升液：保留在颗粒间隙中的液体； 浸没液：浸没液：浸没颗粒的液体。粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性 润湿性润湿性是指固体界面由固-气界面变为固-液界面的现象。 接触角接触角：当固液表面相接触时，在界面处形成的一个夹角。n 用接触角来衡量液体(如水)对固体如无机材料)表面润湿的程度，各种表面张力的作用关系可

5、用杨氏方程表示为：式中，式中，SG固体、气体之间的表面张力固体、气体之间的表面张力; LS液体、固体之间的表面张力液体、固体之间的表面张力; LG液体、气体之间的表面张力液体、气体之间的表面张力; 液气与液固界面之间的接触角。液气与液固界面之间的接触角。粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性cosSGLSLGSGLSLG图4-2粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性完全润湿（扩展润湿）完全润湿（扩展润湿） 完全不润湿完全不润湿易润湿（浸渍润湿）易润湿（浸渍润湿） 不易润湿（黏附润湿）不易润湿（黏附润湿）图图4-3 固体的润湿性固体的润湿性完全润湿（扩展润湿）完全润湿（扩展润湿） 完全不润湿完全不润湿易润湿

6、（浸渍润湿）易润湿（浸渍润湿） 不易润湿（黏附润湿）不易润湿（黏附润湿）图图4-3 固体的润湿性固体的润湿性LLL 如图4-4所示，将固体单位表面上的液滴去掉时所要做的功为WLSLS为黏附功黏附功；这样的润湿被称为黏附润湿。当液滴置于光滑的固体表面上，并处于平衡状态时：WLSLS越大，液滴越容易黏附在固体表面上，为负值时，固体表面排斥液滴。SGcos=(1 cos )LSLGLSLGWSG=LSLGLSW粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性图4-4 为了使黏附于固体表面上的液滴在固体表面广泛分布。则应满足下式SGcosLSLG 粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性SGSLLG图4-2如图4-5所示，将

7、在固体表面上的液滴薄膜还原单位面积需要的功为：SLS为扩展系数扩展系数，这样的润湿称为扩展润湿。SG()LSLGLSS图4-5 如图4一6所示，将浸渍在固体毛细管中的液体还原单位面积，使暴露出新的固体表面所需要的功ALSLS，为或者 cosLSLGLSAA黏为，这种润附张力浸湿为渍润湿。粉体表面的润湿性粉体表面的润湿性SGLSLSA图4-6n粉体分散在液体中的现象相当于浸渍润湿；n液体和气体的界面没有发生变化，作为浸渍润湿的情况处理。n液体浸透到粉体层中时，与毛细管中液体浸渍情况相同。n 粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时，称为液桥液桥。n 当颗粒形成液桥时，由于表面张力表面张力和毛

8、细压差毛细压差的作用，颗粒间将有力的存在，称为毛细力或液桥力毛细力或液桥力。n 液桥除能在各种单元操作中形成外，当空气的相对湿度超过65%时，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，从而增加颗粒间的黏结力。s液体架桥液体架桥33=2=ACDO CBBCDACDBCDO CBACD 331aa=r+cos(1cos)22coscos()a(1cos)2CBrrO CBrCBO CR 液体架桥液体架桥O1O2O3CBAE DLSLGF颗粒间液桥模型颗粒间液桥模型31sin()O BR1a(1cos)2cos()rR O1O2O3CBAE D 21311()1sinsinsin1RCARO BCARrRO

9、1O2O3CBAE DLSLGF1211PRR 毛细管压力毛细管压力P为为凹面凹面R1取正值，凸面取正值，凸面R2取负值，取负值，P为负压取正值；因此为负压取正值；因此 R1 R2为负压，反之为正压，为负压，反之为正压，为液体的表面张力。为液体的表面张力。1211-PRR 液体架桥液体架桥 设毛细管压力设毛细管压力P P作用在液面与球的接触部分的断面作用在液面与球的接触部分的断面 上上 产生的水平作用力为产生的水平作用力为 ，表面张力表面张力平行于两颗粒中心连线的分量平行于两颗粒中心连线的分量cos90-cos90-(+)=(+)=sin(+)作用在圆周作用在圆周2(rsin)上产生的水上产生

10、的水平力为平力为 ，所以颗粒间的毛细，所以颗粒间的毛细力：力： 2sin r 2sinpr sin2sinr 21211sin2sinsinKFrrRR 1(1cos)2cos()arR 21sinsin1RrR液体架桥液体架桥 当两个颗粒相接触，间距a=0，颗粒表面亲水，接触角=0时2(sec2Prtansec-1)(tansec1)液体架桥液体架桥21tan2rH 液体的内部压力颗粒间的附着力液体架桥液体架桥 由表可知，随着玻璃球半径的减小，钳角的增大，附着力和自重均减小，但重力减小更快，因而附着力与自重比值增大，因此颗粒越小越容易附着聚集。n 液桥的黏结力比分子间作用力大液桥的黏结力比分

11、子间作用力大12个数量级，故个数量级，故湿空气中颗粒的粘结力以液桥附着力为主。湿空气中颗粒的粘结力以液桥附着力为主。 1.4 1.8kFr 4kFr 颗粒颗粒- -颗粒颗粒颗粒颗粒- -平板平板 如颗粒表面亲水，则如颗粒表面亲水，则 0；当颗粒与颗；当颗粒与颗粒相接触（粒相接触（a=0)，且，且=1040时，则：时，则：液体架桥液体架桥n 毛细现象是指在毛细力的作用下，液体发生宏观流动的现象。毛细现象的实质是液面曲率差导液面曲率差导致液体内部压力差致液体内部压力差。n接触角 90，凸形液面，引起毛细下降。液体在粉体层毛细管中的上升高度液体在粉体层毛细管中的上升高度n设A和B点处于同一水平面积，

12、A点的压力为PA，B点的压力为大气压Pa，液面为半径R的球面，根据杨氏公式，222AaABapPghRpPPghRhgRcccos ,=cos22cosr4cos12rccrrRhgRgg即R液体在粉体层毛细管中的上升高度液体在粉体层毛细管中的上升高度n液体在毛细管中的上升高度为：液体在毛细管中的上升高度为：crgh21cos4 故，毛细管常数为故，毛细管常数为 4cos2 hrgc对粉体层，以颗粒直径对粉体层，以颗粒直径D Dp p代替毛细管管径代替毛细管管径2r2rc c，用，用h hc c代替代替h h，则粉体层的毛细管常数为则粉体层的毛细管常数为 coscpchgDK 求得毛细管常数求得毛细管常数K Kc c，即可计算毛细管上升高度。，即可计算毛细管上升高度。液体在粉体层毛细管中的上升高度液体在粉体层毛细管中的上升高度n对于一定填充方式的粉体，单位质量粉体的孔隙数np p和颗粒数成正比：n设孔隙的平均体积为Vp p，单位质量粉体孔隙总体积为VZ Z，则n由于单位体积的孔隙体积为，质量为(1-)p p，因此2/ppn