粉体工程第二章

1、2 粉体的堆积性质粉体的堆积性质 2.1 粉体颗粒的填充结构粉体颗粒的填充结构2.1.1 粉体的填充指标粉体的填充指标(1) 容积密度B：单位填充体积的粉体质量，又称表观密度。式中 VB粉体填充体积 P颗粒密度 空隙率BPBV 1VB（ ）填充粉体的质量粉体填充体积常用的容积密度:松动容积密度（B,A）:在重力作用下慢慢沉积后的堆积.紧密堆积密度（B,T）:紧密堆积是通过机械振动所达到的最紧密堆积。v一般而言，随颗粒尺寸的减小，紧密容积密度和松动容积密度的偏差较大，即堆积方式对小颗粒堆积密度的影响较大。当尺寸较大时，紧密容积密度和松动容积密度趋于相等，即容积密度不受堆积方式的影响（FCC颗粒、

2、乳糖、苏打粉）。但PVC粉的松动容积密与紧密容积密度在测试的测试的尺寸范围内随尺寸的增加而线性地增加。（2）填充率：颗粒体积占粉体填充体积的比率（3）空隙率：空隙体积占粉体填充体积的比率 常用的空隙率有松动堆积空隙率B,A和紧密堆积空隙率B,T。一般而言，松动堆积空隙率随颗粒尺寸的减小而增加，粒度分布较宽的松动堆积空隙率小于粒度分布较窄颗粒的松动堆积空隙率。颗粒的形状对空隙率也有较大影响，随着颗粒球形度的减小，颗粒的空隙率明显增加。 BP填充的颗粒体积粉体填充体积BP1 1v空隙率不同于通常所说的孔隙率。颗粒在形成过程中，有可能产生内部封闭孔和与颗粒相通的外孔。一般空隙率中的颗粒体积是指不包括

3、颗粒的外孔在内的，而孔隙率中的颗粒体积则是内外孔均不包括。 2.1.2 均一球形颗粒群的规则填充均一球形颗粒群的规则填充若以均一球粒在平面的排列作为基本层，则有正方形排列层（90度角是其特征）和单斜方形排列层或六方系排列层（60度角是其特征）。4个球为基本层的最小单位，将各个基本排列层汇总起来可得到六种排列形式。排列1、排列2、排列3为正方形排列，排列4、排列5、排列6为三角形排列。（P24）2.1.3 均一球形颗粒的不规则填充均一球形颗粒的不规则填充（1）随机密填充（2）随机倾倒填充（3）随机疏填充（4）随机极疏填充2.1.4 非均一球形颗粒的填充结构非均一球形颗粒的填充结构粒度不同的两种球

4、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。 设密度1的大颗粒单独填充时空隙率为1，将2、2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（11）1小颗粒质量W22（11）2混合物中大颗粒的质量比率为对于同材质的球形颗粒，12，12，则0.4时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为0.71 1111212212(1)(1)(1)WZWW f2.1.5 不同粒径球形颗粒的规则填充不同粒径球形颗粒的规则填充最密填充理论最密填充理论（1）Horsfield填充均一球按六方最密填充状态进行填充时，球与球间形成的空隙大小和形

5、状有两种孔型：6个球围成的四角孔和4个球围成的三角孔。设基本均一球成为1次球（半径r1），填入四角孔中的最大球称为2次球（半径r2），填入三角孔中的最大球称为3次球（半径r3），随后再填入4次球（半径r4），5次球（半径r5），最后以微小的均一球填入残留的空隙中，这样就构成了六方最密填充，称为Horsfield填充。r20.414r1r3=0.225r1r4=0.177r1r5=0.116r1最终填充结果：最终空隙率0.1490.2594=0.039C和E相切的二次球A和E相切的三次球（2）Hudson填充当一种以上的等尺寸球被填充到最紧密的六方排列的空隙中时，空隙率是随着较小球与最初大球的尺

6、寸比值而变化的，空隙率随着四方孔隙中较小球的数目的增加而减小。实际上不不是这样，因为在三角形孔隙中，球的数目是不连续的。Hudson在金属固溶体的研究中，对半径为r2的等径球填充到半径为r1的均一球六方最密填充体的空隙，当r2/r10.4142时，可填充为四角孔；r2/r10.2248时，可填充为三角孔，r2/r10.1716时的三角孔基准填充最为紧密，空隙率为0.113。这样的填充称为Hudson填充。2.1.6 影响颗粒填充的因素影响颗粒填充的因素（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

7、接触点角度分布等）对粉体现象有很大影响。（3）物料的含水量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，使整个物料堆积率下降。（4）颗粒形状空隙率随颗粒圆形度的降低而增高。（5）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。 （6）物料堆积的填充速

8、度也很重要。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。2.2 粉体中颗粒间的附着力粉体中颗粒间的附着力 （1）范德华力当颗粒与颗粒相互靠近接触时，颗粒分子间存在彼此作用的吸引力。影响颗粒间范德华力的因素：吸附气体的影响增加颗粒间的范德华力。颗粒变形的影响增加颗粒间的范德华力。表面粗糙度的影响当颗粒表面粗糙度的直径小于10nm时，颗粒可以看作是光滑的；当颗粒表面粗糙度的直径大于100nm时，颗粒可以看作是粗糙的，此时颗粒间的范德华力被表面粗糙度屏蔽。 （2）颗粒间的静电力荷电的途径：一、颗粒在其生产过程中颗粒靠表面摩擦而带电；

9、二、与荷电表面接触可使颗粒接触荷电；三、气态离子的扩散作用是颗粒带电的主要途径，气态离子由电晕放电、放射线、宇宙线、光电离及火焰的电离作用产生。由于电荷的转移，颗粒将带电，颗粒间有作用力的存在，称为静电力。（3）毛细管力当粉体暴露在湿空气的环境时，颗粒将吸收空气中的水分。当空气的湿度接近饱和状态时，不仅颗粒本身吸水，而且颗粒间的空隙将有水分的凝结，在颗粒接触点形成液桥。当颗粒间形成液桥时，由于表面张力荷毛细压差的作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细管力。 （4）磁性力铁磁性物质，例如铁以及亚铁磁性物质（氧化铁），当其颗粒小到单畴临界尺寸以下时，颗粒只含有一个磁畴，称为单畴颗粒。理论上，铁的单畴

10、临界尺寸约为6.4nm，氧化铁约为40nm。单畴颗粒粉末主要用于磁记录材料和塑料永磁。铁粉催化剂粉末往往也是单畴的。单畴颗粒是自发磁化的粒子，其内部所有原子的自旋方向都已平行，勿需外加磁场来磁化就有磁性。粉末的单畴颗粒间存在着磁性吸引力。这种磁性吸引力很难分散，对其在液体介质中的分散常需结合使用高频磁场。（5）机械咬合力颗粒表面不平滑引起的。2.3 湿颗粒群特性湿颗粒群特性 2.3.1 粉体层的液体粉体层的液体 （1）摆动状态：颗粒接触点上存在透镜状或环状液相，液相互不连接。（2）链索状态：随着液体量增多，上述环长大，颗粒空隙中的液相相互连结而成网络组织，空气则分布其间。（3）毛细管状态：颗粒间左右空隙全被液体充满，仅在粉体层的表面存在气液界面。（4）浸渍状态：颗