3.6. Подвижность частиц порошкообразных материалов

Порошкообразные материалы благодаря наличию значительных сил трения и сцепления между частицами могут обладать ограниченной подвижностью. Причем эти силы тем больше, чем выше давление в слое порошка. Зависимость предельных касательных напряжений (τ) от величины нормальных напряжений сжатия () в порошкообразном материале показана на рис. 1.8 (линия ас).

Угол наклона φ линии ас к оси абсцисс называется углом внутреннего трения порошкообразного материала, а тангенс этого угла – коэффициентом внутреннего трения (ƒ), т.е. ƒ = tg φ.

Рис. 1.8. Зависимость предельных касательных напряжений

от величины нормальных напряжений сжатия

Если любую точку линии касательных напряжений (прямой ас) соединить с началом координат, то угол наклона этой прямой к оси абсцисс φ_σ будет характеризовать сопротивление порошка сдвигу; чем больше угол φ_σ, тем больше сопротивление сдвигу при данном значении нормального напряжения σ. Поэтому угол φ_σ носит название угла сопротивления сдвигу или угла внутреннего сдвига. Тангенс этого угла обозначается ƒ_σ и называется коэффициентом внутреннего сдвига. Величина ƒ_σ определяется по формуле

ƒ_σ = tg φ_σ = ƒ + .

Отрезок τ₀ носит название начального сопротивления сдвигу и характеризует силу сцепления частиц порошка между собой в свободно насыпанном состоянии. Порошкообразные материалы, у которых начальное сопротивление сдвигу отсутствует (τ₀ = 0), носят название легкосыпучих или хорошосыпучих.

Сыпучесть – это способность материала истекать через отверстия в сосудах, которая характеризуется временем истечения определенной массы вещества через отверстие определенных размеров или скоростью истечения. Чем больше величина τ₀, тем меньше сыпучесть материала.

Величина начального сопротивления сдвигу (сыпучесть материала) зависит от формы, размера и полидисперсности частиц, влажности материала, срока хранения в неподвижном состоянии и степени уплотнения, наличия статического электричества на частицах и т.д.

Хорошей сыпучестью обладают монодисперсные порошкообразные и гранулированные материалы с частицами сферической формы, так как они имеют малый коэффициент внутреннего трения. Тонкодисперсные порошки, как правило, малосыпучи. Это связано с тем, что при тонком измельчении порошка увеличивается поверхность соприкосновения частиц, а также его сорбционная способность (поглощение влаги из воздуха).

Повышение влажности порошкообразного материала до определенного предела приводит к увеличению начального сопротивления сдвигу (тем в большей степени, чем мельче порошок), способствует его слеживанию, комкованию и сводообразованию, т.е. к существенному ухудшению сыпучих свойств материала. При значительном содержании влаги в материале, близком к полному насыщению пор, когда материал находится на грани перехода в суспензию, происходит резкое снижение коэффициента внутреннего трения за счет появления свободной влаги, играющей роль смазки.

С увеличением размера частиц до 3,0-3,5 мм сыпучесть порошкообразного материала возрастает, а при дальнейшем увеличении снижается. При хранении и особенно транспортировании порошкообразный материал уплотняется, начальное сопротивление сдвигу увеличивается, сыпучесть уменьшается. Полидисперсные порошки склонны к сегрегации, вследствие чего плотность материала становится неоднородной по объему.

Критериями подвижности и сыпучести кроме сопротивления сдвигу и скорости истечения материала через отверстия конической воронки могут служить угол естественного откоса, угол обрушения, угол ссыпания, слеживаемость и т.д.

Угол естественного откоса для легкосыпучих порошков равен углу внутреннего трения и не зависит от способа формирования откоса [28]. У трудносыпучих и уплотненных материалов угол естественного откоса больше, чем угол внутреннего трения, и зависит от способа формирования откоса. Существуют два способа формирования откоса: способ насыпания, когда порошок поступает сверху на вершину откоса и скатывается по нему вниз, и способ обрушения, когда порошок удаляется от подошвы откоса, в результате чего происходит обрушение расположенных выше частей порошкообразного материала (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема формирования откосов

В соответствии с этим для трудносыпучих порошкообразных материалов различают две величины угла естественного откоса: угол насыпания α_н и угол обрушения α_обр.

Учитывая, что сыпучесть порошкообразных материалов в значительной степени зависит от наличия в них статического электричества и влаги, перед определением их подвижности и сыпучести следует замерить величину заряда статического электричества и содержание влаги в материале. Если величина статического электричества в исследуемом порошке превышает допустимую величину, то такой материал следует выдержать в заземленном электроскопе до тех пор, пока стрелка вольтметра не достигнет нулевой отметки. Порошкообразные материалы, содержащие влагу в больших количествах, чем это предусмотрено стандартами, не­обходимо перед испытанием подсушить.