第4章 粉体的润湿

第四章粉体的润湿建大华清学院4.1粉体颗粒间的作用力范德华力静电引力毛细管力磁性力和机械咬合力范德华力通常颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子，特别是颗粒表面的分子或原子的电子运动，将使颗粒有瞬时偶极，当两颗粒相互接近时，由于瞬时偶极的作用，两颗粒将产生相互吸收的作用力，这种作用力称为颗粒间的范德华力。直径为d1和d2两个颗粒间的范德华力为：等径球体间的范德华力为：颗粒与平面间的范德华力：h——颗粒间的距离；A——哈马克常数，J。式中的A适用于真空或近似适用于空气中的颗粒。范德华力若两个颗粒处于其它介质中，则应使用有效的Hamakar常数，其近似表达式为式中A11是固体颗粒在真空中的Hamakar常数，A22是作为介质的那种液体的颗粒在真空中的Hamakar常数。一般而言，有效Hamakar常数比在真空中的该常数小一个数量级，若固体与液体的物质本性接近，即A11与A22接近，则A越小。故溶剂化极好的颗粒之间就不存在范德华力。范德华力静电引力带电的颗粒间有作用力的存在，称为静电力。两个直径均为d的颗粒，带有异号静电荷分别为Q1、Q2，它们之间的引力为：a:颗粒表面间的距离粉末中的水分：化合水分(如结晶水)、表面吸附水分和附着水分。附着水分是指两个颗粒接触点附近由于毛细管力吸附的水分。水的表面张力的收缩作用而引起的两个颗粒之间的牵引力，称为毛细管力。毛细管引力磁性力

铁磁性物质，及亚铁磁性物质，当其颗粒尺寸小到单畴临界尺寸以下时，颗粒只含有一个磁畴，称为单磁畴颗粒。单磁畴颗粒存在磁性吸引力。这种颗粒粉体难以分散，在液体介质中进行分散时，常需结合使用高频磁场。机械咬合力颗粒表面不平滑时会使颗粒之间存在机械咬合力，特别是当粉体密度较大或挤压成型时，机械咬合力突显，甚至占主导地位。粉体层中的液体粉体层中的液体

黏附液：粘附在颗粒表面上的液体；楔形液：滞留在颗粒表面的凹穴中或沟槽内，即在颗粒之间的切点乃至接近切点处形成鼓状的自由表面而存在的液体；毛细管上升液：保留在颗粒间隙中的液体；浸没液：浸没颗粒的液体。粉体表面的润湿性

润湿性是指固体界面由固-气界面变为固-液界面的现象。

接触角θ：当固液表面相接触时，在界面处形成的一个夹角。用接触角θ来衡量液体(如水)对固体〔如无机材料)表面润湿的程度，各种表面张力的作用关系可用杨氏方程表示为：式中，γSG—固体、气体之间的表面张力;

γLS—液体、固体之间的表面张力;

γLG—液体、气体之间的表面张力;θ—液气与液固界面之间的接触角。粉体表面的润湿性图4-2粉体表面的润湿性θ完全润湿（扩展润湿）

完全不润湿易润湿（浸渍润湿）不易润湿（黏附润湿）图4-3固体的润湿性θ完全润湿（扩展润湿）

完全不润湿易润湿（浸渍润湿）不易润湿（黏附润湿）图4-3固体的润湿性如图4-4所示，将固体单位表面上的液滴去掉时所要做的功为WLS为黏附功；这样的润湿被称为黏附润湿。当液滴置于光滑的固体表面上，并处于平衡状态时：WLS越大，液滴越容易黏附在固体表面上，为负值时，固体表面排斥液滴。粉体表面的润湿性图4-4为了使黏附于固体表面上的液滴在固体表面广泛分布。则应满足下式粉体表面的润湿性图4-2如图4-5所示，将在固体表面上的液滴薄膜还原单位面积需要的功为：SLS为扩展系数，这样的润湿称为扩展润湿。图4-5如图4一6所示，将浸渍在固体毛细管中的液体还原单位面积，使暴露出新的固体表面所需要的功ALS，为或者粉体表面的润湿性图4-6粉体分散在液体中的现象相当于浸渍润湿；液体和气体的界面没有发生变化，作为浸渍润湿的情况处理。液体浸透到粉体层中时，与毛细管中液体浸渍情况相同。粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时，称为液桥。当颗粒形成液桥时，由于表面张力和毛细压差的作用，颗粒间将有力的存在，称为毛细力或液桥力。液桥除能在各种单元操作中形成外，当空气的相对湿度超过65%时，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，从而增加颗粒间的黏结力。液体架桥液体架桥O1O2O3CBAEDγLSγLGF颗粒间液桥模型O1O2O3CBAEDO1O2O3CBAEDγLSγLGF毛细管压力P为凹面R1取正值，凸面R2取负值，P为负压取正值；因此

R1<R2为负压，反之为正压，γ为液体的表面张力。液体架桥

设毛细管压力P作用在液面与球的接触部分的断面上产生的水平作用力为

，表面张力γ平行于两颗粒中心连线的分量γcos[90-(α+θ)]=γsin(α+θ)作用在圆周2π(rsinα)上产生的水平力为

，所以颗粒间的毛细力：液体架桥当两个颗粒相接触，间距a=0，颗粒表面亲水，接触角θ=0时液体架桥液体的内部压力颗粒间的附着力液体架桥由表可知，随着玻璃球半径的减小，钳角的增大，附着力和自重均减小，但重力减小更快，因而附着力与自重比值增大，因此颗粒越小越容易附着聚集。液桥的黏结力比分子间作用力大1~2个数量级，故湿空气中颗粒的粘结力以液桥附着力为主。颗粒-颗粒颗粒-平板如颗粒表面亲水，则θ0°；当颗粒与颗粒相接触（a=0)，且α=10°~40°时，则：液体架桥毛细现象是指在毛细力的作用下，液体发生宏观流动的现象。毛细现象的实质是液面曲率差导致液体内部压力差。接触角θ<90°，凹形液面，引起毛细上升。接触角θ>90°，凸形液面，引起毛细下降。液体在粉体层毛细管中的上升高度设A和B点处于同一水平面积，A点的压力为PA，B点的压力为大气压Pa，液面为半径R的球面，根据杨氏公式，液体在粉体层毛细管中的上升高度液体在毛细管中的上升高度为：故，毛细管常数为对粉体层，以颗粒直径Dp代替毛细管管径2rc，用hc代替h，则粉体层的毛细管常数为求得毛细管常数Kc，即可计算毛细管上升高度。液体在粉体层毛细管中的上升高度对于一定填充方式的粉体，单位质量粉体的孔隙数np和颗粒数成正比：设孔隙的平均体积为Vp，单位质量粉体