Определение гранулометрического состава методом седиментации дисперсных систем

Отсюда вывод,  что скорость падения шара (зерна) в вязкой  среде подчиняется разным закономерностям в зависимости от того, происходит ли опускание зерен в условиях ламинарного или турбулентного режимов.

Для случая ламинарного режима выведенная общая формула скорости осаждения частиц в вязкой среде, имеет вид:

 

 

(2)

 

 

В таком виде обычно выражается формула Стокса.

Для  случая турбулентного режима  выведенная  общая  формула приобретает вид:                                                                                                                           (3)

 

где, d – диаметр шара, см;

   ρ(част)- удельный вес частицы, г/см2 (среднее из 2,6 и 2,65);

   ρ(ср)- удельный вес окружающей частицу среды, г/см2 (для воды 1,00);

   g – сила тяжести, 981 см/с2;

   η – вязкость воды (берётся с учётом температуры воды).

 

В таком виде обычно выражается формула Риттингера.

Температура  воды должна быть  в  пределах   15-20 °С. При  невозможности   применять   воду   в   указанных   температурных  границах необходимо делать пересчеты согласно таблице 1.

 

Таблица 1.1 – Влияние температуры на изменение условий отмучивания

Характеристика	Температура , ◦С
	0	10	20	30	40	50
Вязкость, мпз  Время отстаивания, с  Глубина осаждения, мм	0,017    500 75	0,015 400 95	0,01 300 125	0,008 240 155	0,006 180 210	0,005 150 250

 

Вода должна быть средней жесткости.  При  проведении анализов в разных районах из-за разной жесткости воды были полечены  разные  результаты. Влияние жесткости воды и концентрации едкого натра связано с изменением полноты отмывания. Примерное влияние концентрации  NaOH   на   количество отмываемых  глинистых  составляющих приведено в таблице 1.1 (по опытам П.П. Берга).

 

Таблица 1.2 – Влияние концентрации NaOH на количество отмываемых глинистых составляющих, % [9]

Характеристика	Количество NaOH
	0	0,1	0,2	0,4	1,0
Количество глинистых составляющих  Относительное  увеличение количества    глинистых составляющих	24,77   0,0	25,10   1,35	25,60   3,35	25,99   5,10	25,77   4,05

 

Все выше перечисленные методики расчётов, при учёте ламинарного режима осаждения частиц в вязкой среде,  дают нам возможность расчета основных параметров частицы исследуемого материала, и посредством установления аналитической связи между диаметром зерна и его поверхностью (принимая за сферическую поверхность), мы можем рассчитать параметры всего материала, такие как: количество всех зерен материала в определенном объёме, вес всех зерен и суммарную поверхность материала в целом. Для этого нам необходимо более близко рассмотреть геометрию частиц материалов, и влияние генезиса и механоактивации на геометрические параметры частиц сыпучих материалов.

 

 

1.3 Влияние механоактивации на геометрические параметры дисперсных материалов

 

Сыпучие материалы, при рассмотрении микроструктуры под микроскопом, имеют ряд разнообразных дефектов, конечно же, для удобства расчетов диаметра зерна и удельной суммарной поверхности, геометрию исследуемого материала принимают шарообразной или сферической.

Некоторые геометрические дефекты зерен:

– разнообразность форм зерен (шарообразные, квадратные, пластинчатые, разнообразные сложные формы иногда не подвластные даже человеческому воображению);

– однородность поверхности (округлые, угловатые, острые и т.д.);

– дефекты поверхности (карьеры на поверхности частицы, сквозные отверстия,  кратеры, углубления и прочее) и т.д.

Такие дефекты не только увеличивают суммарную поверхность исследуемого материала,  но ставят под сомнение принцип рассмотрения материала как однородную субстанцию.

Характеристика частиц каким-либо линейным размером (часто называемая диаметром) удобна и общепринята. Вполне однозначно линейный размер описывает только геометрически правильные частицы – шар, куб и другие, которые можно описать одним параметром. Во всех остальных случаях необходимо дополнительное определение того, что подразумевается под линейным размером. При прямых наблюдениях, когда возможна геометрическая интерпретация, размером считают, например, среднее из трех измерений – длины, ширины и толщины, или длину стороны эквивалентного по объему куба. Определение размеров возможно при использовании косвенных методов. Так, в случае седиментационных измерений за диаметр частиц принимают диаметр сферических частиц той же плотности, оседающих со скоростью исследуемых частиц, при измерении поверхности – диаметр сферы, поверхность которой равна поверхности частицы.

Так же, как и размер, определения формы частиц в большинстве случаев условны. Принято разделять частицы, форма которых близка к сферической, на вытянутые похожие на цилиндр или призмы, и угловатые, похожие на многогранники с неровными краями, и др. Сильно вытянутые нитеобразные частицы характеризуют отношением длины к ширине, плоские – отношением наименьшей толщины к ширине. Отношение наибольшего линейного размера к наименьшему используется как показатель (или фактор) формы. Сравнение численных значений фактора формы имеет смысл лишь для геометрически подобных частиц при строгом определении измеряемых параметров. Наиболее наглядное представление о форме частиц может быть получено прямым визуальным наблюдением их с помощью микроскопа. Возможно также измерение формы как отношения скоростей оседания в вязкой среде изучаемых частиц и равных им по массе сферических частиц того же материала. Применяются и другие косвенные определения. С уменьшением размеров частиц численное выражение фактора формы становится все более затруднительным.

Дисперсностью порошка называют характеристику размеров и формы частиц, составляющих порошок. Дисперсность выражается функцией распределения и некоторой величиной, средней для всех частиц порошка, а также удельной поверхностью порошка. Размеры частиц могут быть определены одним из способов, описанных выше. Например, распределение может быть выражено как функция объемов, поверхностей или одного из линейных размеров. Наиболее распространенным является распределение по (условному) диаметру.

Удельной поверхностью порошка называют отношение суммарной поверхности частиц к их весу. Легко видеть, что для порошка из неодинаковых частиц средняя удельная поверхность частиц, вообще говорящие равна удельной поверхности порошка.

Именно поэтому определение размеров частиц и, следовательно, гранулометрического состава порошков по седиментационным данным базируется на законах движения твердых сферических частиц в вязкой среде. Обязательными условиями применимости этих законов является безграниченность и сплошность среды, а также возможность рассматривать движение каждой частицы независимо от других. Практически эти условия означают, что уравнения движения частиц в жидкости или газе строго справедливы лишь для сильно разбавленных суспензий и газовых взвесей, твердые частицы которых велики по сравнению с размерами молекул среды и длинами их свободного пробега, а расстояния между частицами и удаление от стенок сосуда значительно превышает их размеры.

Частица, помещенная в вязкую и плотную среду, движется под действием сил тяжести (в случае седиментации в гравитационном поле). Ее скорость полностью определяется действием этих сил и сопротивлением среды – вязким и гидродинамическим:

(4)

w=6πηrv + (πr2D1v2)/3 = (6πη2Re)/D1 + (2πRe D1)/3

 

где, r – радиус сферы;

      v – скорость перемещения частицы относительно среды;

     η – вязкость среды;

     Re – число Рейнольдса.

В области малых чисел Рейнольдса (Re << 1) можно пренебречь значением второго из слагаемых, а в области больших (Re >> 1) – можно пренебречь

первым.

Наибольшее практическое значение имеет область применимости закона Стокса (Re < 0,2), поскольку седиментационному анализу подвергаются обычно очень мелкие частицы, скорости движения которых невелики. Применимость закона Стокса со стороны малых чисел Рейнольдса ограничена, в принципе, требованием сплошности среды. Однако практически эта граница для седиментации в жидкости определяется требованием к скорости движения малых частиц, которая должна быть достаточно велика, чтобы время полного оседания не превышало по крайней мере нескольких часов. В противном случае малейшие температурные градиенты, вызывающие конвективные потоки жидкости, существенно изменяют ход седиментации.

Скорость падения в жидкости частиц неправильной формы отличается от скорости движения сферических частиц равной массы. Разница в скорости зависит также от ориентации анизометричных частиц относительно направления их движения. Однако вряд ли имеется практическая возможность учета формы частиц. Поэтому порошки с резко анизометричными частицами исследовать седиментационным путем вообще не рекомендуется. Во всех практических определениях принимают за размер частиц диаметр эквивалентной по скорости падения сферической частицы, т. е. явно или неявно считают частицы сферическими, оговариваясь, что размеры являются седиментационными (или стоксовскими) [11].

Для уменьшения геометрической разнообразности, и уменьшения геометрических дефектов частиц исследуемого материала, проводят активацию этого материала или измельчение. При этом стоит не забывать одно из главных положений механоактивации, оно заключается в том, что «может быть механоактивация без измельчения, но не может быть измельчения без активации». Отсюда следует, что, во-первых, нельзя разделить измельчение и активацию: любое измельчение есть активация, так как под действием внешних сил увеличивается запас энергии измельчаемого вещества хотя бы за счет увеличения поверхностной энергии; во-вторых, любой измельчающий аппарат является механоактиватором [12].

Механоактивация [mechanical activation] – активирование твердых веществ  механической обработкой. Измельчение в ударном, ударно-центробежном или центробежном режимах приводит к накоплению структурных дефектов, уменьшению кривизны поверхности, фазовым превращениям и даже аморфизации кристаллов, что влияет на их химическую активность. Механоактивация – следствие создания в некоторой области твердого тела напряжений с последующей их релаксацией. Часто объединяют термины механоактивация, механохимия, трибохимия, хотя между ними существует разница. Механоактивация – процесс образования более химически активного вещества предварительной механической обработкой. Механохимия – предмет изучения химических превращений в веществе или в смеси веществ в процессе механической обработки. Трибохимия – раздел механохимии, в котором исследуют химические и физико-химические изменения твердых веществ при трении. Поскольку механическое разрушение твердых тел всегда сопровождается сдвигом, деформацией и трением [13].

После процесса механоактивации, материал приобретает новые необходимые нам качества:

– образование активных центров на свежеобразованной поверхности;

– изменение реакционной способности;

– на поверхности твердого тела формируется поверхностный слой, в котором концентрируется «избыточная» энергия;

– изменение свободной энергии вследствие механохимической активации обусловлено изменением суммы поверхностной и внутренней энергии;

– изменение внутренней энергии за счет дефектов структуры превышает прирост поверхностной энергии;

– улучшение поверхности активированной поверхности;

– приближение к сферической и овальной форме [12].

 

 

1.4  Цели и задачи исследования

 

Анализ литературных данных показал мне необходимость улучшения способа определения диаметра частиц дисперсных материалов седиментационным способом, в замен ситового метода, отличающегося меньшей точностью, громоздкостью и отличающийся потерями при проведении эксперимента. Поэтому цель своей работы могу сформулировать как: разработка методики определения основных геометрических параметров формовочных материалов в зависимости от режимов их механоактивации в процессе наноструктурирования.

В процессе достижения данной цели исследовательской работы необходимо выполнить ряд задач, с которыми я столкнусь во время нахождения оптимальных конструкторских решений уже имеющихся седиментационных гранулометров, и во время оптимизации самого процесса получения данных и их обработки. Одной из главных задач работы является исследование зависимости геометрической активности частиц материалов от режимов активации и наноструктурирования.

2 Методическая часть

2.1 Оборудование для активации материалов и механосинтеза композиций

 

Для механоактивации материалов и механосинтеза композиций использовали планетарно-центробежную мельницу АГО-2У, которая успешно используются:

– для тонкого и сверхтонкого размола неорганических, твердых и сверхтвердых материалов;

– для механохимической активации неорганических материалов;

– для смешивания сухих материалов и суспензий;

– для извлечения трудно растворимых материалов в среде растворителя;

– для синтеза новых материалов, смесей, катализаторов.

Общий вид мельницы показан на рисунке 2.1, технические характеристики приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Технические характеристики АГО-2 [24]

Параметр	Значение параметра
Режим работы	дискретный
Максимальный исходный размер частиц материала, мм	3
Количество и объем барабанов, мл	2×135
Мелющие тела	шары
Диаметр мелющих тел, мм	6-10
Охлаждающая жидкость	вода
Мощность электродвигателя, кВт	1,5
Масса, кг	95