第三章--粉体的物性与流变学

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31、真密度（truedensity)ρt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。ρt=w/Vt42、颗粒密度（granuledensity)ρg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、开口的孔洞不包括在内ρg=w/Vg或ρp5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（bulkdensity)ρb亦称表观密度、容积密度、填充体积ρb=w/Vb6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（tapdensity）ρbt。4、振实密度（tapdensity）ρbtρbt=w/V若颗粒致密，无细孔和孔洞，则ρt=ρg一般：ρt≥ρg＞ρbt≥ρb7（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)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排列名称顺序单元体空隙率接触点的数量填充组体积空隙体积(a)立方体填充，立方最密填充110.47640.47646正方系(b)正斜方体填充20.8660.3430.39548(c)菱面体填充或面心立方体填充30.7070.18340.259412(d)正斜方体填充40.8660.34240.39548六方系(e)楔形四面体填充50.7500.22640.301910(f)菱面体填充或六方最密填充60.7070.18340.259512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%。20213.2随机或不规则填充1）随机密填充：=0.359~0.3752）随机倾倒填充：=0.375~0.3913）随机疏填充：=0.4~0.414）随机极疏填充：=0.46~0.47四、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，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。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。28设密度ρ1的大颗粒单独填充时空隙率为ε1，将ρ2、ε2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＝（1－ε1）ρ1小颗粒质量W2＝ε1（1－ε2）ρ2混合物中大颗粒的质量比率为对于同材质的球形颗粒，ρ1＝ρ2，ε1＝ε2＝εε＝0.4时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为0.712121111211)1()1()1(第三节粉体的流变学粉体的流动性（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种类现象或操作流动性的评价方法重力流动瓶或加料斗中的流出旋转容器型混合器，充填流出速度，壁面摩擦角休止角，流出界限孔径振动流动振动加料，振动筛充填，流出休止角，流出速度，压缩度，表观密度压缩流动压缩成形（压片）压缩度，壁面摩擦角内部摩擦角流态化流动流化层干燥，流化层造粒颗粒或片剂的空气输送休止角，最小流化速度321.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）(angleofrepose)342.1休止角的测定方法rh将粉体注入到某一有限直径的圆盘中心上，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θ。tan=h/r35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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：=23～28°，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。36372.2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(flowvelocity)393.1流出速度的测定btSRSMt0M：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401.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414、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垂直应力剪应力424.2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τ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。垂直应力剪应力垂直（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破坏包络线方程库仑粉体)(Ci4.3库仑定律粉体层的应力－应变关系：4.4库伦粉体若滑移面上的切应力τ与垂直应力σ成正比)(f44C=0，可忽视粉体颗粒间的附着力，因此流动性好C≠0，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、填充程度初抗剪强度内摩擦系数：CiiC454.5内摩擦角：粉体层上任意一点的应力关系内摩擦角对无附着性粉体iiiitan)(NFNF物体在平面或斜面运动示意图NFi464.6内摩擦角的确定直剪试验1—砝码2—上盒3中盒4—下盒图直剪试验47垂直应力/9.8×104Pa0.2530.5050.7551.01剪切应力τ/9.8×104Pa0.4500.5370.6290.718485、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）sw496、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）分量之间关系的圆。粉体层内任意一点上的正应力，剪应力τ，可用最大主应力1、最小主应力3，以及、τ的作用面和1的作用面之间的夹角θ来表示。502sin22cos22313131202m3131圆半径：），：（圆心坐标τ-σ线为直线a：处于静止状态τ-σ线为直线b：临界流动状态/流动状态τ-σ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CCCiii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=(ρbt-ρb)/ρbt×100%C为压缩度；ρb为最松密度；ρbt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压缩过程拱桥效应：颗粒互相交错咬合，形成拱桥空间55当粉体颗粒B落在A上，粉体B受到