第三章粉体的物性与流变学

1、1第三章第三章 粉体物性与流变学粉体物性与流变学n 粉体的密度粉体的密度n 粉体的填充与堆积特性粉体的填充与堆积特性n 粉体的流变学粉体的流变学n 粉体间的润湿性能粉体间的润湿性能2第一节第一节 粉体的密度粉体的密度 粉体的密度是指粉体的密度是指单位体积单位体积粉体的质量。粉体的质量。 粉体的密度根据所指的体积不同分为：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、振实密度真密度、颗粒密度、松密度、振实密度一、粉体密度的概念一、粉体密度的概念31 1、真密度（、真密度（true density) true density) t t 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量材料在绝对

2、密实状态下，单位体积的质量是指粉体质量（是指粉体质量（w）除以不包括颗粒内外空隙）除以不包括颗粒内外空隙的体积（的体积（真体积真体积Vt）求得的密度。）求得的密度。t = w/Vt42、颗粒密度（、颗粒密度（granule density) g是指粉体质量除以是指粉体质量除以颗粒体积颗粒体积Vg所求得密度。所求得密度。颗粒体积（颗粒体积（Vg）：）：包括封闭细孔在内的体积，而颗包括封闭细孔在内的体积，而颗粒表面的凹下、裂缝、开口的孔洞不包括在内粒表面的凹下、裂缝、开口的孔洞不包括在内g = w/Vg或或 p5粉体质量除以该粉体所占容器的体积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）

3、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包括颗粒体积及颗粒之间空隙的体积。3、松密度（、松密度（bulk density) b 亦称亦称表观密度、容积密度、填充体积表观密度、容积密度、填充体积b= w/Vb6填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得的密度称的密度称振实密度（振实密度（tap density） bt。4、振实密度（、振实密度（tap density） btbt= w/V若颗粒致密，无细孔和孔洞，则若颗粒致密，无细孔和孔洞，则t = g 一般：一般： t g bt b7（一）真密度与颗粒粒度的测定：（一）真密度与颗粒粒度

4、的测定： 常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。 液浸法：液浸法：采用加热或减压脱气法测定粉体所排开采用加热或减压脱气法测定粉体所排开 的液体体积，即为粉体的真体积。的液体体积，即为粉体的真体积。二、粉体密度的测定方法二、粉体密度的测定方法8比重瓶法比重瓶法测量原理：测量原理：将粉体置于加有液体介质的容器中，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。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。而计算出单位颗粒体积的质

5、量。比重瓶法测定基本步骤：比重瓶法测定基本步骤： （1）比重瓶体积的标定）比重瓶体积的标定（2）粉体质量的称量）粉体质量的称量（3）粉体体积的测定）粉体体积的测定9l将粉体装入容器中所测得的体积包括粉体将粉体装入容器中所测得的体积包括粉体真体积真体积、 粒子内空隙粒子内空隙、粒子间空隙粒子间空隙等。等。l测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填 方式等均影响粉体体积。方式等均影响粉体体积。l不施加外力时所测得的密度为不施加外力时所测得的密度为松密度松密度l施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的 密度是密度

6、是振实密度振实密度。（二）松密度与振实密度的测定（二）松密度与振实密度的测定10松装密度测定装置一松装密度测定装置一(a) 装配图装配图 (b) 流速漏斗流速漏斗 (c) 量杯量杯 11松装密度测定装置二松装密度测定装置二(1) 漏斗漏斗(2) 阻尼箱阻尼箱(3) 阻尼隔板阻尼隔板(4) 量杯量杯(5) 支架支架12空隙率（空隙率（porosity）是粉体中空隙所占有的比率。）是粉体中空隙所占有的比率。 粒子内空隙率粒子内空隙率 内内=（Vg-Vt ） / Vg =1- g / t 粒子间空隙率粒子间空隙率 间间= （ V-Vg ） / V = 1- b/ g 总空隙率总空隙率 总总= （ V

7、 -Vt ） / V =1- b/ t一、粉体的空隙率一、粉体的空隙率第二节第二节 粉体的填充与堆积粉体的填充与堆积13在一定填充状态下，颗粒体积占粉体填充体积的在一定填充状态下，颗粒体积占粉体填充体积的比率比率 二、粉体的填充率二、粉体的填充率 gbbgMM粉体填充体积粉体填充体的颗粒体积三、粉体颗粒的填充与堆积三、粉体颗粒的填充与堆积3.1 等径球形颗粒群的规则堆积等径球形颗粒群的规则堆积 排列层：排列层：正方形排列层正方形排列层和和单斜方形排列层或六单斜方形排列层或六方形排列层方形排列层。将各个基本排列层汇总起来，可得。将各个基本排列层汇总起来，可得到六种排列形式。到六种排列形式。立方最

8、密填充立方最密填充立方体立方体正斜方体正斜方体面心立方体面心立方体正斜方体正斜方体楔形四面体楔形四面体六方最密六方最密15单元体：连接相邻的单元体：连接相邻的8 8个球的球心所得到的一个个球的球心所得到的一个 平行六面体。平行六面体。16最松最松最密最密等径球形颗粒群的规则堆积示意图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 邻颗粒接触的点数邻颗粒接触的点数等径球规则填充的结构特性等径球规则填充的结构特性 排列排列名称名称顺顺序序单元体单元体空隙率空隙率接触接触点的点的数量数量填填充充组组体积体积空隙空隙体积体积(a)立方体填

9、充，立方最立方体填充，立方最密填充密填充110.47640.47646正正方方系系(b)正斜方体填充正斜方体填充20.8660.3430.39548(c)菱面体填充或面心立菱面体填充或面心立方体填充方体填充30.7070.18340.259412(d)正斜方体填充正斜方体填充40.8660.34240.39548六六方方系系(e)楔形四面体填充楔形四面体填充50.7500.22640.301910(f)菱面体填充或六方最菱面体填充或六方最密填充密填充60.7070.18340.259512空隙率的推导（立方最密填充）空隙率的推导（立方最密填充） 设单元体的棱长为设单元体的棱长为a，球半径为，球

10、半径为R184764. 015236. 06348)2(033330空隙率填充率球的体积单元体的体积VVRVRRaV相当于把一个半径为相当于把一个半径为 R的球放入到边长为的球放入到边长为 2R 的立方体中的立方体中19最松最松最密最密等径球形颗粒群的规则堆积示意图等径球形颗粒群的规则堆积示意图从等径球的六种填充的性质表明：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：等径球规则填充的填充率随着配位数增加而 增加；增加；b：等径球规则填充时最疏松的填充是配位数为：等径球规则填充时最疏松的填充是配位数为6的填充，其填充率仅为的填充，其填充率仅为52.36%，最紧密的填

11、充，最紧密的填充为配位数为配位数12的填充，其填充率为的填充，其填充率为74.06%。20213.2 随机或不规则填充随机或不规则填充 1）随机密填充）随机密填充 ： =0.3590.375 2）随机倾倒填充）随机倾倒填充 ： =0.3750.391 3）随机疏填充）随机疏填充 ： =0.40.41 4）随机极疏填充：）随机极疏填充： =0.460.47四、影响颗粒堆积的因素四、影响颗粒堆积的因素（1）壁效应）壁效应 当颗粒填充容器时，在容器壁附近形成特殊的当颗粒填充容器时，在容器壁附近形成特殊的排列结构，称为壁效应排列结构，称为壁效应。 （2）局部填充结构）局部填充结构 排列结构的局部变化（

12、如空隙率分布、填充数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）对粉体现象有很密度分布和接触点角度分布等）对粉体现象有很大影响。大影响。23（3）物料的含水量）物料的含水量l 形成团聚体，形成团聚体，使整个物料堆积率下降使整个物料堆积率下降。 潮湿物料颗粒表面吸水，颗粒间形成液桥力，潮湿物料颗粒表面吸水，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。部保持松散的结构。l 颗粒间凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动颗粒间凝

13、聚力妨碍填充过程中颗粒的运动（4 4）颗粒形状）颗粒形状 空隙率随颗粒球形度的降低而增高空隙率随颗粒球形度的降低而增高。26（5 5）粗糙度系数）粗糙度系数 空隙率随粗糙度系数的增大而增高空隙率随粗糙度系数的增大而增高。（6 6）粒度大小）粒度大小 对颗粒群而言，粒度越小，由于粒间团聚作用，对颗粒群而言，粒度越小，由于粒间团聚作用，空隙率越大空隙率越大。当粒度为某一定值时，粒度大小对颗粒堆。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。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，凝聚力的作用可以随粒径增大，与粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略

14、不计。粒径变化对堆积率的影响大大减小。因此，通忽略不计。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。体行为有举足轻重的作用。（7 7）物料堆积的填充速度）物料堆积的填充速度 对粗颗粒，较高的填充速度会导致物料比较松散，但对粗颗粒，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。到较致密的堆积。五、非均一球形颗粒的填充结构五、非均一球形颗粒的填充结构l粒度不同的两种球形颗粒，

15、小颗粒的粒度越小，粒度不同的两种球形颗粒，小颗粒的粒度越小，填充率越高，填充率越高，l填充率随大小颗粒混合比而变化，填充率随大小颗粒混合比而变化，l大颗粒质量比率为大颗粒质量比率为70时，填充率最大。时，填充率最大。 28 设密度设密度1的大颗粒单独填充时空隙率为的大颗粒单独填充时空隙率为1，将，将2、2的小颗粒填充到大颗粒的空隙中，则填充体单位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体积大颗粒的质量W1为：为： W1（11） 1 小颗粒质量小颗粒质量 W2 1 （1 2 ） 2 混合物中大颗粒的质量比率为混合物中大颗粒的质量比率为对于同材质的球形颗粒，对于同材质的球形颗粒，

16、 1 2 ，120.4时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为0.71 2121111211)1 ()1 ()1 (WWWf30第三节第三节 粉体的流变学粉体的流变学 粉体的流动性（粉体的流动性（flowability）与粒子的形状、大小、）与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等有关。表面状态、密度、空隙率等有关。粉体的流动形式：粉体的流动形式： 重力流动、振动流动、压缩流动、流态化流动重力流动、振动流动、压缩流动、流态化流动一、粉体的流动性一、粉体的流动性31种类种类现象或操作现象或操作流动性的评价方法流动性的评价方法重力重力流动流动瓶或加料斗中的流出瓶

17、或加料斗中的流出旋转容器型混合器，充填旋转容器型混合器，充填流出速度，壁面摩擦角流出速度，壁面摩擦角休止角，流出界限孔径休止角，流出界限孔径振动振动流动流动振动加料，振动筛振动加料，振动筛充填，流出充填，流出休止角，流出速度，休止角，流出速度，压缩度，表观密度压缩度，表观密度压缩压缩流动流动压缩成形（压片）压缩成形（压片）压缩度，壁面摩擦角压缩度，壁面摩擦角内部摩擦角内部摩擦角流态化流态化流动流动流化层干燥，流化层造粒流化层干燥，流化层造粒颗粒或片剂的空气输送颗粒或片剂的空气输送休止角，最小流化速度休止角，最小流化速度321. 1. 粉体的摩擦角粉体的摩擦角 由于颗粒间的由于颗粒间的摩擦力摩擦

18、力和和内聚力内聚力而形成的角统称而形成的角统称为摩擦角。为摩擦角。 类型：类型： 休止角、内摩擦角、壁面摩擦角、滑动角休止角、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二、粉体流动性的评价与测定方法33l粉体堆积层的自由斜面在粉体堆积层的自由斜面在静止的平衡状态下静止的平衡状态下，与水平面所形成的与水平面所形成的夹角夹角。l用用 表示，表示， 越小流动性越好越小流动性越好l 可视为粉体的可视为粉体的“粘度粘度” 常用的测定方法：常用的测定方法：l注入法注入法l排出法排出法l倾斜角法倾斜角法2、休止角（安息角）、休止角（安息角）( angle of repose) 342.1 休

19、止角的测定方法休止角的测定方法rh将粉体注入到某一有限直径将粉体注入到某一有限直径的圆盘中心上，直到粉体堆的圆盘中心上，直到粉体堆积层斜边的物料沿圆盘边缘积层斜边的物料沿圆盘边缘自动流出为止，停止注入，自动流出为止，停止注入，测定休止角测定休止角。tan =h/r35崩塌角：崩塌角：测定休止角后，将重物至某定高处自由测定休止角后，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。落下，使料堆产生振动，此时形成的锥角。差角：差角：休止角崩塌角休止角崩塌角l对于细颗粒，安息角与粉体从容器流出的速度、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。容器的提升

20、速度、转筒的旋转速度有关。l安息角不是细颗粒的基本物性安息角不是细颗粒的基本物性几点讨论：几点讨论：u球形颗粒：球形颗粒： =2328，流动性好。，流动性好。u规则颗粒：规则颗粒： 30， 流动性较好。流动性较好。u不规则颗粒：不规则颗粒： 35， 流动性一般。流动性一般。u极不规则颗粒：极不规则颗粒： 40， 流动性差。流动性差。36372.2 影响休止角的因素影响休止角的因素（1） 颗粒的形状颗粒的形状（2） 颗粒的大小颗粒的大小（3 ）粉体的填充状态）粉体的填充状态 对于不同粉体，空隙率越大，填充越困难，休止角越大对于不同粉体，空隙率越大，填充越困难，休止角越大 对于同种粉体，空隙率越小

21、，休止角越大（接触点增多）对于同种粉体，空隙率越小，休止角越大（接触点增多）（4） 振动振动（5） 粉料中通入压缩空气时，休止角显著地减小粉料中通入压缩空气时，休止角显著地减小38l将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时 间，即为流出速度。间，即为流出速度。l流出速度越大，粉体流动性越好。流出速度越大，粉体流动性越好。 3、 流出速度流出速度(flow velocity) 393.1 流出速度的测定流出速度的测定btSRSMt0M：流出粉体的总质量：流出粉体的总质量S：粉体比表面积：粉体比表面积R：粗糙度系数：粗糙度系数S0：小孔面积：小孔面积40

22、1.增大粒子大小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。粒子间的附着力、凝聚力。2.粒子形态及表面粗糙度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。球形粒子的光滑表面，能减少接触点数，减少摩擦力。3.含湿量含湿量适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。4.加入助流剂的影响加入助流剂的影响加入加入0.5%2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大改善粉滑石粉、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。体的流动性。但过多使

23、用反而增加阻力。3.2 粉体流动性的影响因素与改善方法粉体流动性的影响因素与改善方法414、内摩擦角、内摩擦角4.1 粉体流动性特点粉体流动性特点l粉体层受力小，粉体层外观上不产生变化；粉体层受力小，粉体层外观上不产生变化；l作用力达到作用力达到极限应力极限应力，粉体层突然崩坏，粉体层突然崩坏l崩坏前的状态称为崩坏前的状态称为极限应力状态极限应力状态垂直垂直应力应力剪应力剪应力424.2 极限应力极限应力 在粉体层的任意面上加一定的在粉体层的任意面上加一定的垂直（正）应力垂直（正）应力 ，若沿这一面的，若沿这一面的剪应力剪应力逐渐增加，当剪应力达逐渐增加，当剪应力达到某一极限值时，粉体沿此面产

24、生滑移。到某一极限值时，粉体沿此面产生滑移。垂直垂直应力应力剪应力剪应力垂直（正）垂直（正）应力应力：应力方：应力方向垂直于所作用的微元体向垂直于所作用的微元体平面；平面；剪应力（切应力）剪应力（切应力）：应力：应力作用方向平行于所作用的作用方向平行于所作用的微元体平面微元体平面43破坏包络线方程库仑粉体)(Ci4.3 库仑定律库仑定律 粉体层的应力应变关系：粉体层的应力应变关系：4.4 库伦粉体库伦粉体 若滑移面上的切应力若滑移面上的切应力与与垂直垂直应应 力力成正比成正比)(f44C=0，可忽视粉体颗粒间的附着力，因此流动性好，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。，属

25、于粘性粉体。影响初抗剪强度的因素影响初抗剪强度的因素：l温度、粒度及粒度分布温度、粒度及粒度分布l存放时间、填充程度存放时间、填充程度初抗剪强度内摩擦系数：CiiC454.5 内摩擦角：内摩擦角：粉体层上任意一点的应力关系粉体层上任意一点的应力关系 内摩擦角对无附着性粉体iiiitan)(NFNF物体在平面或斜面运动示意图物体在平面或斜面运动示意图NFi464.6 内摩擦角的确定内摩擦角的确定直剪试验直剪试验1砝码砝码 2上盒上盒 3中盒中盒 4下盒下盒图图 直剪试验直剪试验47垂直应力垂直应力 /9.8104Pa0.2530.5050.7551.01剪切应力剪切应力/ / 9.8104Pa0

26、.4500.5370.6290.718485、壁摩擦角和滑动摩擦角、壁摩擦角和滑动摩擦角壁面摩擦角壁面摩擦角( )：粉体层与壁面之间的摩擦角。粉体层与壁面之间的摩擦角。滑动角滑动角( )：粉体层中每个粒子与壁面之间的摩粉体层中每个粒子与壁面之间的摩 擦角。擦角。（研究旋风分离收集料斗中颗粒沿锥壁下降研究旋风分离收集料斗中颗粒沿锥壁下降过程）过程）sw496、 莫尔圆（二元应力系）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）分量之间关系的圆。各截面上应力（或应变）分量之间关系的圆。粉体层内任意一点上的正应力粉体

27、层内任意一点上的正应力 ，剪应力，剪应力，可用，可用最大主应力最大主应力 1 、最小主应力、最小主应力 3 ，以及，以及 、 的作的作用面和用面和 1的作用面之间的夹角的作用面之间的夹角来表示。来表示。502sin22cos22313131202m3131圆半径：），：（圆心坐标粉体处于静止粉体处于静止粉体沿该平面滑移粉体沿该平面滑移不会发生不会发生CCCiii7 7、 粉体流动和临界流动的充要条件粉体流动和临界流动的充要条件 莫尔莫尔- -库仑定律：库仑定律：52l表示物质压缩的程度；表示物质压缩的程度；l大小反映粉体的凝聚性、松软状态。大小反映粉体的凝聚性、松软状态。 C=(bt - b)

28、/ bt 100% C为压缩度；为压缩度；b为最松密度；为最松密度；bt为振实密度。为振实密度。l压缩度压缩度20%以下流动性较好。以下流动性较好。l压缩度增大时流动性下降。压缩度增大时流动性下降。8、压缩度、压缩度( compressibility) 53静压缩：对整个表面均匀的压缩静压缩：对整个表面均匀的压缩冲击压缩：冲击压缩： 撞击压缩撞击压缩 锤击压缩锤击压缩 爆炸压缩爆炸压缩8.1 压缩方式压缩方式54 压缩使粉体压缩使粉体粒子之间粒子之间和和粒子内部粒子内部发生的变化：发生的变化：（1）粉体粒子间相互推挤，加压的能量消耗在）粉体粒子间相互推挤，加压的能量消耗在 粒子间的摩擦粒子间的

29、摩擦上；上；（2）粉体内的）粉体内的架桥架桥崩溃，加压能消耗在崩溃，加压能消耗在粉体和粉体和 器壁的摩擦器壁的摩擦上；上；（3）粉体粒子间的物理啮合，加压能消耗在）粉体粒子间的物理啮合，加压能消耗在粒粒 子变形上及作为残余应力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）粉体粒子的破坏，加压能消耗在粒子的变形粒子的变形 和破坏和破坏8.2 压缩过程压缩过程拱桥效应：拱桥效应：颗粒互相交错咬合，形成颗粒互相交错咬合，形成拱桥空间拱桥空间55当粉体颗粒当粉体颗粒B落在落在A上，粉体上，粉体B受到的重力为受到的重力为G，则在接触处，则在接触处产生反作用力，其合力为产生反作用力，其合力为

30、P，大小与大小与G相等，但方向相反。相等，但方向相反。粉体自由堆积的孔隙率粉体自由堆积的孔隙率往往比理论计算值大很多往往比理论计算值大很多56电动机电动机物料物料固定螺丝固定螺丝V0V1%100btbbtCbtb8.3 压缩度的测定压缩度的测定57测定压缩度仪器测定压缩度仪器轻敲测定仪轻敲测定仪589、开放屈服强度、开放屈服强度 fcl开放屈服强度：与自由表面相垂直的表面上只开放屈服强度：与自由表面相垂直的表面上只 有正应力而无切应力。有正应力而无切应力。l此正应力是使拱破环的最大正应力此正应力是使拱破环的最大正应力lfc是粉体的物性是粉体的物性料仓料仓结拱结拱5900iicCfsin1cos

31、2icicccOAffOAtansin221609.1 开放屈服强度开放屈服强度(fc)测定测定被密实的粉体试样不倒塌（被密实的粉体试样不倒塌（b），具有一定的密实强度，），具有一定的密实强度，这一密实强度就是开放屈服强度。这一密实强度就是开放屈服强度。粉体试样倒塌（粉体试样倒塌（c），粉体的开放屈服强度），粉体的开放屈服强度=0。fc小小的粉体，流动性好，不易结拱。的粉体，流动性好，不易结拱。 6110、流动函数、流动函数：开放屈服强度：预密实应力ccffFF流动函数流动函数FF22FF44FF10粉体的流粉体的流动性动性强粘附性强粘附性流不动流不动有粘附性有粘附性不易流出不易流出易流动易流

32、动自由流动自由流动粉体的团粉体的团聚性聚性强团聚性强团聚性团聚性团聚性轻微团聚轻微团聚性性不团聚不团聚62三三. 影响粉体流动的因素影响粉体流动的因素1、温度和化学变化、温度和化学变化2 2、湿度、湿度3 3、粒度、粒度4 4、振动、振动4 4、冲击作用、冲击作用5 5、63第四节第四节 粉体间的作用力粉体间的作用力一、粘附与凝聚一、粘附与凝聚粘附性：指不同分子间产生的引力，如粉体的粒粘附性：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）；子与器壁间的粘附（附着力）；凝聚性：指同分子间产生的引力凝聚性：指同分子间产生的引力(内聚力内聚力)64产生粘附性与凝聚性的主要原因：产生粘

33、附性与凝聚性的主要原因：干燥状态下：干燥状态下： 范德华力范德华力(取向力、诱导力、色散力取向力、诱导力、色散力)、静电力、静电力润湿状态下：液体桥、固体桥润湿状态下：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液体桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分 存在液体存在液体固体桥：溶解的溶质干燥而析出结晶固体桥：溶解的溶质干燥而析出结晶65二、分子间作用力二、分子间作用力作用于粉体粒子分子间的范德华力：作用于粉体粒子分子间的范德华力：212126RRRRhAFM212hARFM对于半径分别为对于半径分别为R1及及R2的两个的两个球形颗粒，分子间作用力球形颗粒，分子间作用力FM为：为：

34、 对于球与平板：对于球与平板：h颗粒间距，颗粒间距，nmA哈马克（哈马克（Hamaker）常数，）常数，J66【例例】 同种物质的直径为同种物质的直径为1m的的球形颗粒，其密度为球形颗粒，其密度为10103kg/m3，当两者表面相距，当两者表面相距0.01 m时，设时，设 A1020 J，试判断这两个聚集的颗粒能否因重，试判断这两个聚集的颗粒能否因重力作用而分离？力作用而分离？67三、静电作用三、静电作用荷电的途径：荷电的途径：（1）表面摩擦带电）表面摩擦带电（2）与荷电表面接触）与荷电表面接触（3）气态离子的扩散作用）气态离子的扩散作用ppDaDQQF21221Q1、Q2两颗粒表面带电量，两

35、颗粒表面带电量，Ca 两颗粒的表面间距两颗粒的表面间距Dp颗粒直径颗粒直径68（一）润湿作用（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。流体的过程。粉体的润湿性：指固体界面由固粉体的润湿性：指固体界面由固-气界面变为固气界面变为固-液界液界 面现象。面现象。沾湿、浸湿、铺展沾湿、浸湿、铺展润湿润湿四、颗粒间的毛细管力四、颗粒间的毛细管力69（1）沾湿（）沾湿（粘附粘附）液固glgsls液体在固体表面沾湿过程的示意图液体在固体表面沾湿过程的示意图70粘附功粘附功在等温等压条件下，单位面积的液面与固体在等温等压条件下，单位面积

36、的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功粘附过程表面吉布斯自由能变化值粘附过程表面吉布斯自由能变化值粘附功粘附功)(glgslsG)(glgslsaGW71影响粘附性能的因素：影响粘附性能的因素：1）固体表面的清洁度固体表面的清洁度 如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形成吸附膜，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。会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。2）固体的分散度固体的分散度 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

37、附强度。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）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。触面积的增加，从而提高粘附强度。 72gas liquids（2）浸湿）浸湿固体浸湿过程固体浸湿过程浸湿功浸湿功(work of immersion)等温、等压条件下，将具等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功最大功称为浸湿功Wi0时，自发进行时，自发进行slsgiGW73（3）

38、铺展）铺展固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固固液液气气ab液体在固体表面上的铺展液体在固体表面上的铺展74铺展系数铺展系数(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面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用数，用S表示表示solid liquidA A B )(sglgslGS75（二）接触角及其与润湿方程（二）接触角及其

39、与润湿方程（1）接触角）接触角在干净、平滑的固体表面上的平衡液滴，其气、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。界面的夹角。76coslgslsglgslsgcosYoung方程，又称为润湿方程方程，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：和为零，界面张力与接触角有如下关系： 77cossgs llg（1）完全润湿）完全润湿 时，时，Young方程不成立方程不成立当当润湿类型润湿类型 cos1,0s

40、gs llg时sgs llg78（2 2）润湿）润湿 cossgs llg润湿润湿(亲液性固体亲液性固体)0 1 cos0,90sgs llg时，79（3 3）不润湿）不润湿 cossgs llg不润湿不润湿(憎液性固体憎液性固体) cos0,90180sgsl时，80900润湿润湿 不润湿不润湿由于由于可测，习惯上用接触角来衡量润湿程度。可测，习惯上用接触角来衡量润湿程度。 的大小用来判断润湿与否，的大小用来判断润湿与否，角越小润湿效果越好角越小润湿效果越好81氧化铝瓷件上需要涂银，当加热到氧化铝瓷件上需要涂银，当加热到1373K时，计算液态时，计算液态银与氧化铝瓷件表面的接触角，并判断液态

41、银能否润湿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？氧化铝瓷件的表面？已知该温度下氧化铝的表面张力已知该温度下氧化铝的表面张力 s-g =1.0N/m，液态银，液态银的表面张力的表面张力l-g =0.88N/m，液态银于固体氧化铝的界面，液态银于固体氧化铝的界面张力张力s-l=1.77N/m。0151875. 088. 077. 10 . 1cosgllsgs82【例例】粉体润湿性能的应用粉体润湿性能的应用浮游选矿浮游选矿首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。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在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。表面活性剂。搅拌并从池

42、底鼓气，带有有效矿搅拌并从池底鼓气，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。浓缩，从而达到了富集的目的。不含矿石的泥砂、岩石留在池不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。底，定时清除。83（三）粉体层的液体（三）粉体层的液体 根据液体存在的位置分为四类：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）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）楔形液：滞留在颗粒表面的凹 穴中或沟槽内穴中或沟槽内3）毛细管上升液：保留在颗粒之）毛细管上升液：保留在颗粒之 间的间隙中间的间隙中4）浸没液：浸没在液体中）浸没液：浸没在液

43、体中84（四）颗粒间的毛细管力（四）颗粒间的毛细管力(1) 液桥：液桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时，称为液桥时，称为液桥 单元操作：过滤、离心分离、造粒单元操作：过滤、离心分离、造粒 空气湿度：空气湿度：608085ABpsp0凸面凸面ABpsp0凹面凹面ABABp0平面平面水平面水平面: pl = p0 凸液面凸液面: pl p0 凹液面凹液面: pl 0 ps = plp0 g：一般的一般的2 cosspghR 曲率半径曲率半径R与毛细管半径与毛细管半径R的关系的关系毛细管上升公式：毛细管上升公式：89R1R2aR2AAAA剖 视

44、颗 粒 液 体r* *颗粒间液桥模型图颗粒间液桥模型图 901)sin(sin)cos()2/()cos1 (121RrRarR时当0, 0, 0aR1R2aR2AAAA剖 视颗 粒 液 体r91设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面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上，而表面张力平行于两颗粒连线的分量作用在圆周作用在圆周 上，则液桥附着力由下式表示：上，则液桥附着力由下式表示：2)sin(r)(sin()sin(2r2111sin2)sin(sin2RRrrFk92如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（a0），

45、），且且100400时，则时，则 (颗粒颗粒颗粒颗粒) （颗粒（颗粒平板）平板）rFk4rFk)8.14.1(93(4) 粉体接触角测量方法粉体接触角测量方法 透过测量法透过测量法基本原理：固体粒子间的空隙基本原理：固体粒子间的空隙相当于一束毛细管，毛细作用相当于一束毛细管，毛细作用使液体透入粉末中，使液体透入粉末中，液面在毛液面在毛细作用下沿管中粉末柱上升细作用下沿管中粉末柱上升h。ABrcRhhhc微孔板局部放大干粉体湿粉体毛细管glglghRRgh2coscos294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ABrcRhhhc微孔板局部放大干粉体湿粉体毛细管95只要测得

46、只要测得粉末间孔隙的平均半径粉末间孔隙的平均半径R和和 液体的表面张力液体的表面张力可得到接触角可得到接触角 R值无法直接测定，用一已知表面张力为值无法直接测定，用一已知表面张力为 、密度密度 和对粉末接触角和对粉末接触角为为0的液体来标定：的液体来标定：0gl0glglghRRgh2coscos20002ghRgl96通过测定通过测定h、h0可求得可求得。使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况glghR2cos对于粉体在对于粉体在未知液体中的透过未知液体中的透过0002ghRgl1.1 对液体对液体而言，满足如下定律：而言，满足如下定律：（1）压力与深度

47、成正比即）压力与深度成正比即帕斯卡定律帕斯卡定律（2）同一液面上压力相等，即）同一液面上压力相等，即连通器定律连通器定律 第五节第五节 粉体粉体( (静静) )压力计算压力计算一、一、Janssen公式公式9798l容器内的粉体层处于极限应容器内的粉体层处于极限应力状态；力状态；l同一水平同一水平面面的垂直压力恒定；的垂直压力恒定；l粉体的基本物性和填充状态粉体的基本物性和填充状态均一，均一， 为为常数常数 1.2 静态粉体压力，静态粉体压力，Jassen（詹森）作如下假设：（詹森）作如下假设：wpp + d pk pk ppd hwkpDhdhACDB上层静压力上层静压力下层静压力下层静压力

48、粉体层自重粉体层自重摩擦力摩擦力hp99l圆筒形容器（截面积为圆筒形容器（截面积为A）；）；lh深处的深处的微元层微元层（A dh）作为研究对象；）作为研究对象；l铅垂方向作受力分析铅垂方向作受力分析pp + d pk pk ppd hwkpDhdhACDBpp + d pk pk ppd hwkpDhdhACDB上层静压力上层静压力下层静压力下层静压力粉体层自重粉体层自重摩擦力摩擦力hp100上层静压力粉体层自重上层静压力粉体层自重下层静压力摩擦力下层静压力摩擦力)(444)(sin1sin1)()()(222dhDpdppDdhgDpDkpkpppAdppdhAgApwhBiiwhwffB

49、兰肯系数水平压力水平压力pp + d pk pk ppd hwkpDhdhACDB上层静压力上层静压力下层静压力下层静压力粉体层自重粉体层自重摩擦力摩擦力hp取取h深处的微元层作为研究对象，当其受力平衡时，在铅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垂方向作受力分析为dhpDdppDdhgDpDwhB222444根据极限莫尔圆原理及假定根据极限莫尔圆原理及假定1，对非粘性粉体，有，对非粘性粉体，有kppiih sin1sin113 将上式整理后得将上式整理后得 dpDdhpkgDwB 4101积分后得：积分后得： CpDkgkDhwBw 4ln4 pwBhDkgdpdh

50、004 102 根据边界条件可知，根据边界条件可知，当时当时 时，时， ，得：，得： 0 h0 p hDkkDgpwwB 4exp14 即：即：深度为深度为h h时，粉体铅垂压力时，粉体铅垂压力p p与高度与高度h h 的关系的关系为：为： gkDpDkgkDhBwwBw ln44ln4 代入得：代入得： gkDCBw ln4103104筒仓内粉体压力分布筒仓内粉体压力分布kgDppwB4h粉体压力饱和现象：粉体压力饱和现象：当粉体填充高度达到一定值后。当粉体填充高度达到一定值后。P P 趋于常数趋于常数pkph 水平压力水平压力若粉体层的上表层有外载荷若粉体层的上表层有外载荷 p0 存在，存在，则：则： 时，时， ，此时：此时：0 h0pp hDkkDgpkDgpwwBwB 4exp440105二、料斗二、料