Лако-красочные материалы — производство

К аэрозолям по свойствам близко примыкают порошки, которые можно рас­сматривать как аэрозоли с твердой дисперсной фазой, скоагулировавшие и обра­зовавшие осадок (аэрогель). К порошкам следует отнести также и грубодис — персные системы, которые вследствие большого размера частиц седиментацион — ио неустойчивы.

Размеры первичных частиц порошков колеблются в весьма широких пре­делах. Ні’же в качестве иллюстрации приведены значения диаметров (в мкм) частиц некоторых порошков, широко применяемых 6 технике и пищевой промыш­ленности:

Сажа

Газовая канальная…………………………………….. 0,03—0,09

Газовая печная………………………………………… 0,10—0,30

Ламповая……………………………………………….. 0,30—0,60

Окнсь магния………………………………………………… 0,2—0,5

Титановые белила…………………………………………… 0,2—0,7

Окись цника……………………………………… . . . . 0,2—0,8

Литопон (пигмеьт)……………………………………………………… 0,3—0,8

Окись железа (пигмент) . . . ………………………………. 0,3—1,5

TOC o "1-3" h z Сульфат бария……………………………………………….. 1—3

Мел

Осажденный…………………………………………………………. 1—5

Молотый………………………………………………… 5—50

Каолин…………………………………………………………………….. 2—20

Крахмал

Рисовый…………………………………………………………….. 6—10

Кукурузный……………………………………………. 15—25

картофельный…………………………………………………… 100—150

Мука пшеничная

Высшего сорта……………………………………………………. 50—200

3-го сорта………………………………………………. до 800

Какао…………………………………………………………………….. 100—200

Как можно видеть из этих данных, только некоторые сорта сажи имеют частицы, отвечающие коллоидным размерам; все остальные порошки являются микрогетерогенными системами

Размеры частиц порошков, а следовательно, и их удельная поверхность имеют огромное значение для практического применения порошков. Так, яркость окраски ft кроющая способность пигментов (титановые белила, литопон, окнсь железа), усиливающее действие наполнителей (сажа, окись цинка, окись маг­ния), вкусовые свойства порошков, применяемых в пищевой промышленности (какао, мука), сильно зависят от их дисперсности.

Размер частиц порошков можно определять микроскопически, методом седи­ментации и с помощью ситового анализа. Удельную поверхность порошков опре­деляют либо по адсорбции азота на частицах, либо путем фильтрации жидкости через порошок, либо, наконец, путем просасывания через него разреженного или неразрежениого воздуха.

Рассмотрим кратко наиболее характерные свойства порошков — способность к течению и распылению, флуидизацию и гранулирование. При этом будем в основном придерживаться изложения, принятого в монографии Н. А. Фукса «Механика аэрозолей», М., изд-во АН СССР, 1955.

Рассмотрим движение малых частиц на поверхности слоя, состоящего из тех же частиц Такое движение лежит в основе переноса песка и почвы ветром, пневматического транспорта сыпучих материалов и т. д. Это движение может осуществляться тремя способами: 1) частицы перекатываются по поверхности; 2) частицы отрываются от поверхности и сейчас же падают обратно, т. е. пере­двигаются «прыжками»;-3) частицы переносятся в состоянии аэрозоля Эти виды движения частиц можно наблюдать в аэродинамической трубе, на дне которой насыпан толстый слой песка. При определенной скорости воздуха частицы, вы­ступающие из слоя песка, начинают перекатываться. Однако эти песчинки скоро останавливаются, попав, например, в небольшие углубления. Если несколько увеличить скорость воздуха, снова некоторое число песчинок перекатится и остановится и т. д. Движущиеся таким образом песчинки, сталкиваясь с дру — тими более крупными частицами, выступающими над поверхностью, подскаки­вают. При некоторой скорости воздуха, называемой критической, большая часть песчинок начинает передвигаться путем прыжков; траектории таких прыгающих песчинок представлены на рис. XI, 2.

Механизм отрыва лесчннок от поверхности воздушным потоком при совер­шении ими прыжка еще не вполне ясен. Если частица выпрыгивает из потока воздуха, двигающегося ламинарно у самой поверхности, то ее подхватывают турбулентные вертикальные пульсирующие потоки воздуха. Также причиной

Рис. XI, 2. Траектории прыгающих песчинок.

Отрыва частиц может быть местный отрыв вихрей песка от поверхности (напри­мер, у возвышений на песке или почве). Песчинки иногда отскакивают от "по­верхности рикошетом, повторяя свой прыжок; иногда, падая, зарываются в пе­сок и передают свой импульс другим песчинкам, которые начинают перекаты­ваться или в свою очередь подскакивают. Таким образом, процесс тіереноса пе­ска и любого порошка имеет характер цепной реакции.

Крупные песчинки радиусом большим 0,2—0,3 мм при скорости ветра, не превышающей 10 м/с, не могут прыгать, а лишь перекатываются, а песчинки радиусом большим 1 мм вовсе остаются неподвижными. Поэтому из полидис­персного песка ветер выдувает более мелкую фракцию. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и в таком виде передвигается над поверхностью песка.

Раз начавшись, унос песка или почвы ветром распространяется на большое расстояние. Начинается же этот процесс на небольших возвышениях, под действием вихрей и случайных причин. Эффективность даже невысоких препят­ствий в борьбе против ветровой эрозии’ объясняется тем, что частицы почвы не могут перепрыгнуть через препятствие и процесс приостанавливается.

Опыты показали, что для песчинок радиусом большим 50 мкм критическая скорость «течения» по поверхности песка пропорциональна квадратному корню из радиуса песчинок. Для песчинок радиусом меньшим 50 мкм критическая скорость возрастает при переходе к более мелким частицам благодаря молеку­лярным силам, действующим между частицами.

Ниже приведены значения скорости ветра (по Гензелю), при которых на­чинается передвижение песков различной дисперсности:

Радиус песчинок, мм…………………………….. 0,087—0,12 0,12—0,25 0,25—0,5 0,5—1,0

Критическая скорость ветра, см/с

Для сухого песка……………………………. 380 480 600 900

Для песка с 2% влаги….. 600 759 950 1200

Заметный перенос снега начинается, по Л. Дановскому, при скорости ветра 4—5 м/с (на льду уже при 2 м/с) и быстро растет по мере усиления ветра. Быстрым ростом переноса песка и снега при увеличении силы ветра объясняется катастрофический характер этих явлений во время сильных бурь.

Способность частиц прилипать к различным поверхностям имеет большое значение при нанесении инсектофунгицидных порошков на растения. В этом случае частицы отрываются от поверхностей (листьев и т. д), расположенных под различными углами к горизонтальной плоскости. Такой отрыв облегчается с увеличением массы частиц, т. е. прилипаемость усиливается с уменьшением размера частиц. Помимо размера частиц имеет значение их форма и природа, ,а также материал стенки, от которой зависит поиерхностное натяжение. Большую роль играет также и пластичность частицы и стенки. Пластическая деформация соприкасающихся неровных поверхностей, обусловливающая увеличение пло­щади контакта, приводит к значительному возрастанию силы, необходимой для отрыва частицы от стенки. Поэтому частицы мягких веществ прилипают лучше, чем твердых.

Большое значение для прилипания имеет и влажность: образующийся в месте соприкосновения стенки и шарообразной смачиваемой частицы радиусом г водный мениск в результате действия поверхностного натяжения притягивает частицу к стенке с силой, пропорциональной го (где а — поверхностное натя — женне воды). Так как радиус частицы значительно больше радиусов кривизны тех субмикроскопических выступов, по которым происходит фактическое сопри­косновение, прилипаемость весьма сильно повышается с влажностью. С другой стороны, при прилипании частиц к стенкам нередко возникают большие элек­тростатические силы, н в этом случае влажность, способствующая нейтрализа­ции электрических зарядов, может отрицательно сказываться на прилипаемости.

Перейдем теперь к рассмотрению явлений распыления порошков и их флуи — дизации (перевод в состояние, подобное жидкому состоянию). Эти явления происходят при распылении угольной пыли в топках с помощью форсунок, при воздушной сепарации порошкообразных материалов, распылении инсектофунги­цидов, проведении химических реакций в «кипящем слое» и т. д.

Если через слой порошка, находящийся в цилиндрическом сосуде с пори­стым дном, пропускать снизу с постепенно возрастающей скоростью какой-ни­будь газ, то наблюдаются следующие яиления. При малых скоростях течения частицы порошка остаются неподвижными, а высота слоя и коэффициент за­полнения пространства Ф постоянны. Когда градиент давления газа сравнивается с градиентом гидростатического давления порошка, равнодействующая всех действующих на частицу сил станет равной нулю и при дальнейшем повышении скорости течения среды слой начнет расширяться. Слой порошка с достаточно крупными частицами в этих условиях расширяется равномерно; контакт между соседними частицами сохраняется, но структура порошка стайовится более рых­лой. В более дисперсных порошках, в которых заметную роль играют силы сцепления между частицами, при достаточно больших скоростях течения среды наблюдается уже не равномерное расширение слоя порошка, а распадение его на отдельные агрегаты, — между которыми образуются каналы, по которым и про­ходит значительная часть газа.

Следует заметить, что влияние сил сцепления на свойства порошка сказы­вается и в статических условиях, при отсутствии движения воздуха. Так назы­ваемая насыпная плотность порошка, равная Фр, в грубых порошках почти не зависит от размера частиц, так как определяется отношением силы тяжести частиц к пропорциональной ей силе трения между частицами. Однако по мере увеличения дисперсности порошка начинают сказываться межмолекулярные силы, увеличивающие силу трения между частицами и способствующие образованию более рыхлой структуры; поэтому насыпная масса начинает уменьшаться.

Угол естественного откоса порошкои также не зависит от размера частиц в очень грубых порошках и возрастает при переходе к порошкам с мелкими ча­стицами. По мере расширения слоя его текучесть (измеряемая, например, по сопротивлению, оказываемому слоем вращающейся в нем мешалке) возрастает в несколько десятков раз, а угол откоса значительно уменьшается, т. е, порошок приближается по свойствам к жидкости.

После расширения слоя порошка до определенного размера (5—20%-от на­чального объема в зависимости от свойств порошка) частицы начинают дви­гаться, а сопротивление слоя протекающей среде несколько уменьшается, ве­роятно, благодаря уменьшению трения между частицами.

При известной скорости течения среды через равномерно расширившийся слой грубых порошков газ начинает барботировать, как через жидкость В ре­зультате этого высота слоя продолжает расти, но сильно колеблется. В этом состоянии порошок весьма напоминает кипящую жидкость, отчего такой слой и получил название «кипящего слоя». По мере увеличения скорости течения ча­стицы, скорость оседания которых меньше скорости течения среды над слоем, увлекаются из «жидкой фазы» т. е. кипящего слоя, в «газообразную» (аэрозоль­ную) фазу. Концентрация частиц в аэрозольной фазе все возрастает, наконец, граница между обеими фазами исчезает, и порошок целиком выдувается газом.

У тонких порошков в результате "действия сил сцепления наблюдается так называемая агрегативная флуидизация. При небольших скоростях течения в слое образуются каналы, через которые и проходит основная масса газа. При увеличении скорости течения каналы разрушаются, в слое начинается интенсивное перемешивание н непрерывное образование н распад агрегатов, сопровождающееся уносом отдельных частиц в аэрозольную фазу. Так как с увеличением размера частиц гидродинамические силы возрастают, а действие молекулярных сил ослабевает, то следует ожидать, что при некоторой средней степени дисперсности порошка условия для флуидизации порошка будут опти­мальными. И действительно, наиболее равномерная и полная флуидизация на­блюдается для порошков с частицами, радиус которых близок к 20—25 мкм.

Так как трение порошков о стенки трубки убывает по мере увеличения раз­мера частиц (уменьшается эффект молекулярных сил), то в грубых порошках прн малом диаметре трубки наблюдается явление «захлебывания» в слое: он целиком поднимается газом, затем газ пробивается через слой, н слой снова спадает. Если после достижения полной флуидизации порошка постепенно умень­шать скорость течения, то при полной остановке тока газа слой порошка оста­нется в расширенном состоянии; для возвращения в первоначальное нерасширен­ное состояние его надо утрясти. Отсюда следует, что в расширенном слое кон­такт между частицами сохраняется и встречающееся в литературе утверждение, что в расширенном слое частицы окружены со всех сторон «газовой пленкой» и, следовательно, не соприкасаются друг с другом, необоснованно.

Указанным способом удобно определять, значения коэффициента заполнения Фмин при расширенном состоянии порошка. Эти значения, соответствующие максимально возможной пористости или максимально возможному объему дан­ного порошка при сохранении контакта между частицами, являются одной из важных характеристик порошкообразных материалов. В табл. XI, 2 приведеры значения Фмин для некоторых пррошков и Ф0, соответствующие покоющемуся нерасширенному слою порошка.

Как видно из приведенных в табл. XI, 2 данных, степень заполнения про­странства уменьшается вместе с размером частиц не только в покоящемся, но и в расширенном слое, что также указывает на действие молекулярных сил, а следовательно, и на контакт между частицами при расширении слоя.

Некоторые порошки можно перевести в расширенное состояние не только пропуская через них газ, но и просто осторожным пересыпанием. В таком со­стоянии многие порошки также обладают большой текучестью и напоминают по свойствам жидкость. Очевидно, находящийся между частицами воздух тор­мозит их падение и способствует образованию рыхлой структуры. Так как в Данном случае сила тяжести не уравновешивается, текучесть некоторых грубых порошков, вероятно, объясняется сравнительно малыми молекулярными силами, а следовательно, и малыми силами трения между частицами.

Известно, что некоторые порошки сильно «пылят» при пересыпании, а дру­гие при той же дисперсности не пылят. Распыляемость порошков имеет боль­шое значение в технике. Распыляемость в первую очередь определяется силами сцепления между частицами, она увеличивается при возрастании размеров ча­стиц до известного предела и уменьшается с увеличением влажности порошка. Поэтому неувлажняющиеся гидрофобные порошки (например, тальк) распыляются

Лучше гидрофильных (кварца, известняка). Порошки из мягких, пластичных ма­териалов распыляются хуже, чем из твердых; моноднсперсные порошки распы­ляются лучше полидисперсных, так как в последних степень заполнения пространства, а следовательно, и число точек соприкосновения между частицами больше, чем в первых

Таблица XI, 2. Значения коэффициентов заполнения пространства для некоторых порошков (по Н. А. Фуксу)

В заключение рассмотрим процесс сухого гранулирования, по своей природе как бы обратный таким явлениям, как флуидизация и распыледае Давно из­вестно, что в результате не слишком сильных механических воздействий многие порошки могут быть переведены в гранулы — крупные агрегаты обычно сфери­ческой формы, распыляющиеся в порошок при сравнительно легком надавлива­нии. Этот процесс детально изучен на примере сажи Гранулированная сажа имеет меньший объем, ие пылит и обладает повышенной текучестью, что удобно для ее перевозки и переработки

Сажу можно гранулировать встряхиванием ее на вибрирующих плоскостях, а также под действием ультразвука. Однако наиболее эффективное гранулирова­ние достигается при обкатывании сажи в специальных вращающихся бараба­нах. С С. Воюцкий с сотр. показали, что гранулирование сажи прн обкатыва­нии идет эффективно лишь при введении в порошкообразную сажу «зародышей». Такие зародыши можно получить из сажи в виде мелких плотрьіх комочков при пропускании ее через узкий зазор вальцов, применяемых в резиновом производ­стве, нлн какнм-ннбудь иным способом. В качестве зародышей при гранулирова­нии можно использовать н сажевые гранулы малого диаметра. Гранулирование вызывают также любые мелкие инородные частицы, например зерна растений, кристаллы сахара и т. д. Однако слишком тяжелые чужеродные тела, как свинцовая дробь, не могут служить зародышами, очевидно вследствие того, что образующийся на поверхности сажевый слой разрушается под тяжестью дро­бинки, когда последняя при обкатывании сталкивается со стенкой барабана или другой дробинкой.

При обкатывании порошкообразная сажа как бы налипает на зародыши, н при этом образуются сферические гранулы. Число гранул обычно равно числу зародышей, н это позволяет, меняя соотношение между количествами порошко­образной сажи н зародышей, получать гранулы любого размера, вплоть до 1—2 см в поперечнике. В этом отношении имеется формальная аналогия с об­разованием коллоидных систем методом конденсации с введением в систему

F

Зародышей. Важно отметить, что с увеличением соотношения порошкообразная сажа — зародыши снижается прочность гранул.

Опыт показал, что гранулирование идет наиболее эффективно при средней скорости обкатывания. При очень больших скоростях центробежная сила при­жимает всю сажу к стенкам барабана и сажа в барабане не обкатывается. При очень малых скоростях не достигается вращательного движения сажи, при ко­тором один слой, накатываясь — на другой, обуславливает трение частиц друг о друга, необходимое для гранулирования.

Поскольку гранулы образуются при обкатывании самых разнообразных по­рошков, следует полагать, что механизм гранулирования дол? кен иметь вполне общий характер. Вероятно, отдельные частицы того или иного порошка под действием молекулярных сил вступают в энергетическое взаимодействие, обра­зуя агрегаты. Причиной, определяющей достаточно прочную связь между ча­стицами, может быть либо случайный контакт частиц в особо активных участ­ках, либо соприкосновение частиц плоскими гранями, в результате чего межмолекулярные силы могут действовать иа сравнительно большой пло­щади.

Если порошок перемешивать или пересыпать не со слишком большой ско­ростью, ведущей к разрушению агрегатов, то совершенно очевидно, что в порошке постепенно будут накапливаться агрегаты частиц. Вследствие меньшей кривизны поверхности этих агрегатов при столкновении их с отдельными ча­стицами, последние прилипают к ним особенно прочно. Все это приведет к тому, что постепенно весь порошок превратится в агрегаты — гранулы. Форма этих агрегатов должна быть близкой к сферической, так как все выступы на поверх­ности таких гранул сглаживаются при перемешивании или пересыпании си­стемы.

Причинам возникновения прочной связи между частицами при перемешива­нии или пересыпании порошка можно дать и несколько Другое толкование. Для образования контакта и прочной связи частицам необходимо преодолеть некий энергетический барьер, например преодолеть силы адсорбции молекул газов частицами пыли. Очевидно, образование агрегатов в этом случае вызовут только особо удачные столкновения частиц, обладающих кинетической энергией, доста­точной для преодоления этого энергетического барьера. При такой точке зрения факторы, обуславливающие удаление адсорбированных молекул, должны спо­собствовать образованию контактов и, следовательно, действию молекулярных сил. Это и наблюдается в действительности: как показали опыты, при об­катывании под вакуумом и при повышенной температуре гранулирование улуч­шается.

Положительную роль зародышей • при гранулировании можно объяснить большей массой и меньшей кривизной поверхности зародыша по сравнению с частицей порошка. Вследствие большой массы зародыша происходят более силь­ные удары, что может способствовав преодолению энергетического барьера и, следовательно, обусловливать слипание. Меньшая кривизна поверхности заро­дыша также должна благоприятствовать взаимодействию между зародышем и элементарной частицей сажи, т. е. налипанию отдельных частиц на зародыш. По­ложительное действие зародышей может объясняться также и тем, что зародыш при обкатывании катится между элементарными частицами и вызывает извест­ную их ориентацию, что тоже способствует налипанию их на зародыш.

Основная причина связи между гранулированными частицами (контакт между элементарными частицами в отдельных местах) также хорошо согла­суется с наблюдающимся возрастанием плотности и прочности с увеличением длительности обкатывания. Вследствие толчков при перекатывании и легких ударов гранулы о гранулу возникает большее число контактов, в результате чего вея система становится более плотной и прочной.

Рассмотренный выше метод сухого гранулирования порошков с применением только одних механических и притом не интенсивных механических воздействий не следует смешивать с другими методами уплотнения порошков и переведения их в непылящее состояние — брикетированием с применением связующей среды, получением гранул из порошка, смоченного небольшим количеством жидкости, И т. д.