粉体工程第5讲课件

第三单元:填充层结构与粉体层静力学(2)西南科技大学材料科学与工程学院王玉平

第3单元

填充层结构与粉体层静力学（6学时）[知识点]颗粒堆积特性及表达；

均一球堆积；异径填充；粉体层静力学；[重

点]颗粒的堆积于粉体层静力学；[难

点]粉体层静力学；[基本要求]1、识

记：表观密度、填充率、配位数、应力摩尔圆、最大主应力与主应力面、正应力、剪应力、库伦粉体等；2、领

会：均一球形颗粒群的填充结构的理论和实践、影响颗粒填充的因素，摩尔应力圆的概念及与粉体层的对应关系和图解等；3、简单应用：最密填充理论、粉体层应力计算；4、综合应用：斗仓中粉体的压力分布；五.颗粒间的作用力固体颗粒是容易聚在一起的，尤其当颗粒很细时。这说明颗粒之间存在着附着力。颗粒的聚集情况对粉体的摩擦特性、流动性、分散性能和压制性能起着重要的作用：分子间引力(范德华力)导致的颗粒间引力颗粒所带异号静电荷引起的引力附着水分的毛细管力磁性力颗粒表面不平滑引起的机械咬合力1.分子间引力——范德华引力两个分子间的范德华吸引位能与分子本身有关的引力常数分子间距

小分子能聚集并规则地排列成分子晶体（大分子），且各种分子晶体的熔点、沸点、硬度等不同，说明分子之间有作用力存在――即分子间力或称范德华力

（荷兰，1873年）（1）取向力（2）诱导力（3）色散力

永远存在于分子或原子之间的一种作用力；是吸引力，作用能量约比化学键小1-2数量级；力的作用很小，无方向性和饱和性；

经常是以色散力为主。几点说明两个直径为1微米的球型颗粒在表面间距为0.01微米时的相互吸引力为,4×10-12N假设颗粒密度大到10×103kg/m3直径为1微米的球型颗粒的重力为5×10-14N,这说明相互吸引力比重力大的多.两个这样的颗粒不会因为重力产生分离。上述作用力为真空状态下的情况,也近似用于空气中,但若处于其他介质中时,Hamakar常数近似表达为:分子间的范德华力(vanderWaalsinteractionforce)来源：取向力、诱导力和色散力取向力二个极性分子的固有偶极将同极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力诱导力非极性分子在极性分子的固有偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力色散力非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，出现瞬时偶极，瞬时偶极间的作用力

有效Hamakar常数比在真空中的常数小一个数量级。若固体与液体的物质本性接近，即A11与A22越接近，则A越小。因此溶剂化极好的颗粒之间就不存在这种吸引力。分子间的范德华力(vanderWaalsinteractionforce)来源：色散力、诱导力和取向力极性分子间有色散力，诱导力和取向力；极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力；非极性分子间只有色散力。实验证明，对大多数分子来说，色散力是主要的；只有偶极矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的。

注意这些范德华力及其产生的位能随着颗粒间距离的增加而减小。当颗粒表面吸附环境气体时，将增加颗粒间的范德华力。吸附气体的影响相应的引力气体吸附常数当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力。颗粒粗变形的影响变形后接触面积颗粒的接触直径

颗粒的接触面积增加，就增加了颗粒间距离较近的分子数，从而增加了颗粒间的引力势能。原因：2.颗粒所带异号静电荷引起的引力

实际的粉末往往会含有水分，所含的水分有化合水分(如结晶水)、表面吸附水分和附着水分等，附着水分是指两个颗粒接触点附近的毛细管水分。3.颗粒间的毛细力

水的表面张力的收缩作用将引起对两个颗粒之间的牵引力，有时也称为毛细管力。实际上，这种颗粒间的联结力是毛细管的负压力与液体表面张力的合力。颗粒间的毛细力当粉体暴露在湿空气中时，颗粒将吸收空气中的水分。当空气的湿度接近饱和状态时，不仅颗粒本身吸水，而且颗粒间的空隙也将有水分凝结，在颗粒接触点处形成液桥（liquidbridge）。形成液桥的临界湿度不仅取决于颗粒的性质，还于温度和压力有关。实验研究表明，形成液桥的临界湿度在60-80%之间。

粒子表面的亲水力比较强、空气的湿度大，则水膜的厚度越厚

由于蒸汽压的不同和粉体颗粒表面不饱和力的作用，大气中的水分子因凝结或者吸附在颗粒的表面，形成水膜（厚度取决于粒子表面的亲水程度和空气本身的湿度）。

粒子表面的水分多到粒子接触点处形成环状的液相时，就开始产生液桥力，这样又会加速颗粒的聚集。随着液体的增多，粒间液相还可形成多种不同的状态。磁性力当其颗粒小到单畴临界尺寸以下时，颗粒只含有一个磁畴．这称为单畴颗粒c理论上，铁的单畴临界尺寸约为6．4nm，氧化铁约为40nm单颗粒粉末主要用于粉末的单畴颗粒之间存在看破性吸引力，很难分散。对其在液体介质中的分散常需结合使用高频磁场，颗粒表面不平滑引起的机械咬合力颗粒表面的不平滑引起的机械咬合,会造成粉体颗粒之间的接触由点到面的变化.两个颗粒间的引力或颗粒与固体平面的引力可以用高灵敏度的弹簧秤或天平测量摆动状态链索状态毛细管状态浸渍状态图颗粒间液相状态颗粒间液相状态

颗粒接触点上存在透镜状或环状的液相，液相互不连续

随着液体量增多，环张大，颗粒空隙中的液相相互连结成网状，空气分布其中

颗粒群浸在液体中，存在自由液面

颗粒间的所有空隙被液体充满，仅在粉体层表面存在气液界面湿颗粒群特性什么是液桥：液桥的形成原因：

1、粉体与固体或粉体颗粒相互间的接触部分或间隙部分存在液体时，称为液体桥。2、由液体桥所产生的颗粒间的附着力是液体的表面张力和毛细管压形成的(所谓毛细管压是由曲面的内外压差形成的负压)。

1、由于水蒸气的毛细管凝缩。（1）过滤、离心分离造粒等单元操作过程中形成；（2）在大气压下存放粉体时（3）单元操作中的液桥力大2、液桥力的大小同湿度，即同水蒸气吸附量有关。3、吸附量和液体桥的形式取决于粉体表面对水蒸气亲和性的大小、颗粒形状以及接触状况等。

液桥

当颗粒间形成液桥时，由于表面张力和毛细压差的作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细力。颗粒间毛细力的计算公式为：表面张力考虑几何关系：当颗粒尺寸相等时，即β=1，颗粒间的毛细力变为：当颗粒与平面接触时，即β→∞，颗粒与平面的毛细力变为：

1、液体桥的破坏，是出现在最窄的断面上，通常情况下，较小的力就能在液体桥最窄的断面产生破坏。结论玻璃球半径r（um）钳角毛管负压p（N）表面张力（N）附着力F（N）自重（N）F/自重10000.1626.37X10-41.27X10-66.38X10-41.03X10-46.191000.5116.33X10-54.02X10-76.37X10-51.03X10-76.18X102101.626.20X10-61.26X10-76.33X10-61.03X10-106.15X10415.105.81X10-73.91X10-86.20X10-71.03X10-136.02X1062、玻璃球的大小与附着力四种情况1.颗粒密切接触,液体与固体接触角为零.2.颗粒密切接触,液体与固体接触角不为零.3.颗粒不密切接触,液体与固体接触角为零.4.颗粒不密切接触,液体与固体接触角不为零.当接触角为δ时的情况又设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面π(rsinα)上，表面张力平行于两球中心联线的分量作用在圆周上，则吸引力可用下式表示：FH与α的关系各曲线与FH=0的交点,表示产生附着力α的下限.小于该下限就产生斥力.持液量计算直径相等的两球相切时，两球间保持的液体体积。可由如下的Fisher或Keen式确定:持液量依100g球型颗粒为例:设配位数为:Kn颗粒个数为:总接触点为:Kn*(N/2)持液量:依土壤为例,取其密度为2.4g/cm3平均配位数12

得:Mf=23.46%持液量计算当两球相距a时.可按照下式计算空隙饱和比(