книги из ГПНТБ / Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация

породных фракций, пригодных для строительных и других отраслей промышленности).

Кроме указанных материалов эффективно разде­ ляются разнообразные металлические и неметалличе­ ские порошки, черновые концентраты и шламы от­ дельных руд редких и других металлов, а также ре­ генерируются промышленные отходы.

При дальнейшем совершенствовании трибоадгези­ онных сепараторов и кондиционировании их рабочей среды можно устойчиво получать тонкие фракции различных материалов (менее 20 мкм), выделять ко­ торые другими сухими способами в настоящее время не представляется возможным.

Простота и технико-экономические показатели, ха­ рактеризующие трибоадгезионный метод сепарации, указывают на большую перспективность его приме­ нения.

9

I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АДГЕЗИИ ЧАСТИЦ ПОРОШКОВ

КТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ АДГЕЗИИ

Развитию теории адгезии в жидких средах, в част­ ности адгезии пленок и склеиванию, посвящено мно­ го работ [12—14], взаимодействие же частиц пыли и порошков с твердой поверхностью в газовой среде освещено недостаточно [15—17].

Немногочисленные и разрозненные исследования явлений прилипания носили характер собирания экс­ периментального материала и в лучшем случае в них делалась попытка установить отдельные эмпириче­ ские закономерности.

В трудах Н. А. Фукса [14, 18] затронуты некото­ рые вопросы прилипания частиц в воздушном пото­ ке. Указывается, что, наряду с большими успехами в ряде областей механики аэрозолей, такие важные вопросы, как движение, прилипание и коагуляция ча­ стиц в потоке, отрыв и дезагрегация их, являются своего рода «белыми пятнами».

Изучение механики аэрозолей осложняется тем, что вопрос взаимодействия пылевидных частиц с твердой поверхностью относится к стыку приклад­ ной аэродинамики, поверхностных явлений и ряда других смежных областей, где исследования ведутся соответственно с разных точек зрения и при различ­ ных методических подходах, что ведет к односторон­ ности полученных результатов. Необходимо отметить, что, хотя вопросы, касающиеся отложения, прилипа­ ния и отрыва частиц, взаимно связаны, в комплексе они мало изучены.

10

Б. В. Дерягин [12] отмечает, что трудно найти другую такую область явлений, как явление прили­ пания, где находились бы в таком разительном про­ тиворечии широкая распространенность, повседнев­ ность, практическая значимость, недостаточная ис­ следованность и отсутствие совершенных методов ис­ следования.

В большей части исследований явления адгезии рассматриваются лишь как сопутствующие другим явлениям. Теоретические исследования в области адгезии тонкодисперсных частиц в газовой среде до­ ведены до стадии обобщения формул и трактуются в основном с качественной стороны [12, 15—20].

Под адгезией обычно понимают сцепление между двумя приведенными в контакт поверхностями раз­ личных по своей природе материалов. Большинство зарубежных ученых (20, 21] объясняет адгезию ван- дер-ваальсовым взаимодействием между поверхност­ ными молекулами адгезива (частицы) и подкладкой, т. е. действием межмолекулярных сил на поверхно­ сти раздела.

Ван-дер-ваальсовы силы, проявляющиеся между молекулами на расстоянии от одного до нескольких сот их диаметров (при условии малого зазора меж­ ду контактирующими телами), оказывают значитель­ ное влияние на формирование молекулярной состав­ ляющей силы адгезии (12, 22—25]. Это справедливо в известной степени для адгезии пленок и лакокра­ сочных покрытий, но не отражает всей сложности процессов, происходящих при адгезии частиц к твер­ дой поверхности. В данном случае нельзя пренебре­ гать влиянием окружающей среды (22] и электроста­ тическими силами адгезии.

Адгезия частиц пыли и порошков обусловливается различными по своей природе силами и зависит от свойств контактирующих тел и окружающей среды.

Тонкодисперсные частицы в воздушной (газовой) среде прилипают к твердой поверхности не только в результате проявления молекулярных сил и капил­ лярных сил жидкости (конденсирующейся в зазоре между контактирующими телами), но и под действи­ ем сил двойного электрического слоя (образующего­ ся в зоне контакта), кулоновских сил и др. Кулонов­

11

ские силы возникают между заряженными частицами и могут значительно превосходить молекулярные.

Отдельные составляющие сил агдезии при опреде­ ленных условиях могут превалировать над другими. Так, при влажности воздуха более 70% увеличение адгезии микроскопических частиц обусловливается капиллярными силами.

Для управления явлениями адгезии необходимо изучить составляющие силы адгезии, раскрыть их природу, условия и особенности проявления, а также выявить факторы, вызывающие изменения этих сил.

Верхний предел крупности частиц, способных удерживаться на поверхности, не однозначен при разных условиях и может достигать более 100 мкм. На силу адгезии оказывают влияние состояние и свойства поверхности (гидрофобность, гидрофильность, обработка реагентами, окисные пленки и др.), чистота обработки поверхности, размеры, форма и физико-химические свойства частиц, контактная раз­ ность потенциалов между частицей и поверхностью, влажность воздуха, температура нагрева контакти­ рующих тел и окружающей среды, материал и со­ стояние поверхности (подложки), скорость качения частиц и др.

Большое разнообразие факторов, оказывающих влияние на адгезионное взаимодействие частиц по­ рошков с твердыми поверхностями, указывает одно­ временно на сложность рассматриваемого процесса и на возможность гибкого управления им. Главное внимание должно быть уделено использованию раз­ нообразных путей воздействия иа молекулярную и электрическую составляющие силы адгезии.

Кроме указанных, в процессе адгезионного вза­ имодействия твердых тел принимают участие также силы тяжести, центробежные, капиллярные силы и др.

2. СИЛЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ АДГЕЗИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

По Б. В. Дерягину [24], адгезия происходит под действием поверхностных сил и может рассматри­ ваться как термодинамический равновесный обрати­ мый процесс при условии значительного превышения

12

радиуса кривизны обеих поверхностей над радиусом действия поверхностных сил.

Адгезия характеризуется удельной работой отры­ ва, обычно зависящей от скорости последней. Работа адгезии резко возрастает с увеличением скорости от­ рыва. Объясняется это как явлениями механической необратимости (рассеяние энергии деформации перед разрывом), так и электрическими явлениями, возни­ кающими при соприкосновении двух разнородных тел (двойной электрический слой). Притяжение противо­ положно заряженных обкладок двойного электриче­ ского слоя, наряду с молекулярными силами, обус­ ловливает адгезию, величину которой в случае твер­ дых тел, можно определить лишь опытным путем и притом неоднозначно [22. 27].

В общем случае, по Б. В. Дерягину, полная сила адгезии, обусловливаемая действием молекулярной и

му поверхности в местах контакта частицы, наличие

условленная двойным электрическим слоем, образую­ щимся в месте контакта; F3— сила зеркального отоб­

центрами заряда частицы и индуцированного им за­ ряда на поверхности подложки

М о л е к у л я р н о е в з а и м о д е й с т в и е и а д ­

13

пнем расстояния как -^ -,м к м _1. Соседний атом

поляризуемостью я приобретает в этом поле индуци­ рованный дипольный момент, пропорциональный от­ ношению коэффициента поляризуемости вещества к радиусу сферической частицы.

Так как потенциальная энергия Е диполя с мо­ ментом (.1 в электрическом поле равна Ар, то энергия взаимодействия двух молекул будет пропорциональ­

где Іг — постоянная Планка; ѵ — характеристическая частота спектра поглощения веществ.

Коэффициент а показывает, что зарядовые рас­ пределения двух атомов флуктуируют по фазе одно относительно другого. Для двух разнородных атомов энергия взаимодействия описывается аналогичным уравнением, поэтому любые два атома будут притя­ гиваться друг к другу. Силы между тремя и большим числом атомов аддитивны.

Ван-дер-ваальсовы силы существенны при прили­ пании небольших частиц к твердой поверхности. Сила взаимодействия при этом зависит от величины зазо­ ра Н между двумя поверхностями. Для сферической поверхности радиусом г и плоскости сила взаимодей­ ствия будет определяться как kr/бН2, где /г — посто­ янная Хамейкера для данного вещества; она доста­ точно велика даже при зазоре более 100 мкм. Строго говоря, лондонское взаимодействие справедливо для двух сильно разряженных систем, т. е. газов. Распро­ странение аддитивности сил на конденсированные си­ стемы, не представляющие собой простую сумму сво­ бодных молекул, пока не имеет достаточного теоре­ тического обоснования. А. Д. Зимон, Б. В. Дерягин [22, 24] и ряд зарубежных ученых экспериментально определили и теоретически обосновали переход от энергии взаимодействия молекул к энергии взаимо-

15

действия конденсированных систем. Установлено, что энергия п сила взаимодействия шарообразной части­ цы с плоскостью обратно пропорциональны расстоя­ нию между ними.

Для сферы и плоскости энергия и сила взаимо­ действия больше энергии для двух сфер [22]. Это свя­ зано с увеличением расстояния между двумя телами за счет кривизны контактирующих поверхностей.

и плоскостью, мм.

Значения сил молекулярного взаимодействия, оп­ ределенных по формуле (5), для частиц диаметром 7.5 и 12,5 мкм при величине зазора 10 А составили соответственно 1,2-10—3 и 2,0 -10—3 дин, а сила адге­ зии, определенная экспериментально, соответственно 6,2-ІО3 и 2,15-10—3 дин [22]. Как видим, сила молеку­ лярного взаимодействия частиц крупностью 7,5 и 12.5 мкм довольно значительна и может существенно влиять на формирование сил адгезии.

При взаимодействии сферических частиц (одного размера) Б. В. Дерягин исходит из предположения, что сила адгезии является функцией толщины зазо­ ра Я, разделяющего сферические поверхности кон­ тактирующих тел. При Я—>0 сила прилипания

на границе твердых тел и окружающей их фазы. Если радиус одной из поверхностей много больше

16

Из сказанного следует, что сила адгезии зависит от кривизны контактирующих поверхностей. Влияние свойств поверхностей на адгезию учитывается свобод­ ной энергией До). Действие капиллярных сил и заря­ дов частиц формулой (7) не учитывается.

По Н. А. Фуксу і[14], под г необходимо принимать не радиус частицы, а радиус выступов, по которым происходит фактический контакт частицы с поверх­ ностью. Однако сложность установления площади контакта и отсутствие совершенных методов опреде­ ления поверхностных натяжений твердых тел не поз­ воляют пользоваться уравнениями (5) и (7) при рас­ чете силы адгезии реальных объектов.

В некоторых случаях ,(22] отдельные составляющие адгезионных сил (например, капиллярные и электри­ ческие силы) поддаются расчету, в целом же опре­ деление сил адгезии осуществляется только экспери­ ментально.

В л и я н и е э л е к т р и ч е с к и х с и л на а д г е- з и ю ч а с т и ц. Электрическая теория адгезии, пред­ ложенная Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой [12,28], в дальнейшем развита их школой (В. П. Смилга, И. Н. Алейникова и другие) [29—32]. Свою теорию они основывают на явлениях контактной электриза­ ции, происходящей при тесном контакте двух тел: ди­ электрик— диэлектрик или металл— диэлектрик.

Основные положения этой теории заключаются в том, что система адгезив — подложка представляет собой конденсатор, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных ве­ ществ,— обкладки конденсатора.

При отделении адгезива от подложки или, что то же, раздвижении обкладок конденсатора возникает разность потенциалов, которая с увеличением зазора между раздвигаемыми поверхностями возрастает до определенного предела, характеризующегося наступ­ лением разряда. Работу адгезии W, определяемую при отрыве пленки от металла, в этом случае прирав­ нивают к энергии конденсатора и вычисляют по фор­ муле

(8)

где е — диэлектрическая проницаемость среды.

Если отрыв (разъединение) обкладок конденсато­ ра происходит медленно, то заряды стекают благода­ ря электропроводности поверхностных слоев и рабо­ та адгезии, затрачиваемая на преодоление сил моле­ кулярного сцепления, сравнительно мала. Если же отрыв происходит быстро, то начинают проявляться электростатические силы. При этом заряды не успе­ вают стечь и их высокая начальная плотность сохра­ няется до наступления газового разряда. Это обеспе­ чивает большую работу адгезии, поскольку действие сил притяжения разноименных электрических зарядов преодолевается на сравнительно больших расстоя­ ниях.

И. Н. Алейникова и другие исследователи [32] провели исследования по оценке роли двойного элек­ трического слоя и разработали специальной пневма­ тический адгезиометр для одновременного измерения силы прилипания и зарядов частиц после отрыва (для

для системы поливинилхлорид — сталь показана иа рис. 1.

.Установлено, что сила прилипания и заряд после отрыва возрастают с увеличением диаметра частиц. Экспериментально доказано [32], что адгезия опреде-

18