Применяемые для производственного контроля и в исследовательских работах методы и приборы дисперсионного анализа весьма разнообразны и многочисленны. Выбор какого-либо из них или их совокупности для конкретных целей определяется свойствами дисперсной системы, особенностями получения, областью применения порошка и диапазоном измеряемой дисперсности.
Как правило, для полной характеристики дисперсности требуется применение ряда разных методов. Только сопоставление результатов измерений, полученных несколькими из них, дает достаточно полное представление о состоянии измельченного материала.
Подробное и систематическое описание методов дисперсионного анализа можно найти в ряде специаль - N ных изданий [1 —10]. Здесь же дана только некоторая систематизация и описаны основные принципы методов, которые использованы для характеристики измельченных материалов в опытах, рассмотренных в данной монографии, и которые также могут быть рекомендованы для практического применения в лабораторном и заводском контроле. К их числу относятся ситовой, микроскопический и се'диментационный способы измерения гранулометрического состава, а также способы измерения удельной поверхности по воздухопроницаемости и низкотемпературной адсорбции.
Сущность ситового анализа заключается в просеивании пробы исследуемого материала через набор сит и в определении процентного содержания остатка на каждом из них по отношению к весу исходной пробы.
Сита представляют собой обечайки с днищем из сетки, которые можно плотно вкладывать одну в другую и составлять набор с уменьшающимися сверху вниз ячейками сеток. Сетки для сит изготовляют обычно из проволоки, толщина которой, размер ячеек и точ - ■ ность их формы регламентированы стандартами. Чаще всего пользуются стандартом, разработанным Тейлором, в котором размер ячеек сеток (сторона светлого квадрата при освещении сетки параллельным пучком света) отличается от последующего в ' 2 раза.
Изготовление тканых из металлической проволоки сеток с размерами отверстий ячеек менее 40 мкм технически крайне затруднительно. Такие сетки содержат множество отверстий неправильной формы, размеры которых значительно отличаются от среднего. Это искажает гранулометрический состав порошка. Поэтому в последнее время сетки изготовляют путем обработки металлических пластин либо травлением, либо электродуговым способом Такими способами удается получать сег - ки с. геометрически совершенными отверстиями размером до5 мкм. Высокое качество просеивания и сокращение "* затрат времени на этот процесс достигается поопуванием '
Материала через сетку и периодическим обратным продувом воздуха для очистки ячеек [71. Наиболее широко применяемые в ситовом анализе сетки приведены в табл 1. В зарубежной литературе все еще используют характеристику сеток по числу отверстий на 1 см2 и др. Для облегчения понимания данных ситового анализа по зарубежным источникам в таблице приведен ряд ситовых характеристик, по которым можно также перевести одни ситовые характеристики в другие.
Гранулометрический состав подоитовой фракции порошков может быть определен с помощью микроскопа. Микроскопический анализ (в том числе электронной оптикой) заключается в измерении условных размеров и в подсчете числа частиц в заданном интервале размеров либо визуально, либо по микрофотографиям препарата. Этот анализ дает надежные и воспроизводимые результаты только при тщательных измерениях (точность пропорциональна корню квадратному из сосчитанного числа частиц). Обычную световую оптику применяют для частиц с размерами выше 0,5 мкм, а электронную— в интервале 0,001 —10 мкм. Нижняя граница размеров зерен, которые еще могут быть измерены микроскопом, определяется его предельной разрешающей способностью.
Микроскопический анализ дает возможность получить относительное содержание числа частиц данного размера, выраженное в процентах. На практике, однако, больший интерес представляет определение состава порошка по весу частиц. Необходимый в таких случаях пересчет частичной концентрации на весовую можно осущствить, если предположить, например, что частицы геометрически подобны, а распределение их по размерам внутри достаточно узких фракций равномерно [8]
Обычно для перевода частичных концентраций в весовые принимают вес фракции равным весу среднего по размеру зерна, умноженному на число частиц в этой фракции. Такое предположение оправдано лишь тогда, когда интервалы размеров частиц выбраны очень узкими. Однако анализ зерен по размерам в этом случае требует величайшей тщательности и, тем не менее, не может быть выполнен достаточно точно. Практически удобнее выбирать широкие интервалы, а для повышения точности перевода частичной концентрации в весовую пользоваться предназначенной для этого формулой [8].
Характеристика ситовых сеток
|
Fl Of^/cPj-V
Продолжение табл. I
|
• Наиболее употребительны сеткн с модулем \г2. |
Из косвенных методов определения гранулометрического состава порошков в практической работе наиболее широко применяют седиментационный [10] анализ, который основан на зависимости скорости осаждения (седиментации) однородных частиц в вязкой среде от их размеров. Для определения гранулометрического состава порошков, состоящих из очень малых частиц (менее 2—3 мкм), ввиду медленного их оседания в поле сил тяжести применяют центрифугирование суспензий.
Гранулометрический состав по седиментациоиным данным может быть определен измерением 'ВО времени. на заданной высоте одной из следующих величин: концентрации твердой фазы, плотности суспензии и веса осадка.
Концентрацию суспензии - измеряют путем отбора проб через фиксированные промежутки времени, по рассеянию и поглощению света, по поглощению радиоактивного излучения и некоторыми другими приемами.
Плотность суспензии измеряют ареометром или по величине гидростатического давления. Плотность суспензии р на глубине Н от поверхности в момент времени / и ее концентрация С связаны между собой простым соотношением
Р (H, t) = D1 С(Н, t),
Vі
Где Dі н D2 — плотность соответственно дисперсионной среды и твердой фазы.
Вес осадка фиксируют по изменению положения се- диментационной чашки. Иногда вес осадка измеряют по величине обратного рассеяния - у-лучей.
Размер частиц и, следовательно, гранулометрический состав порошков определяют по седиментациоиным данным. Их расчеты производятся ,на основе законов движения твердых сферических частиц в ВІЯЗІКОЙ среде. Обязательными условиями применимости этих законов являются безграничность и сплошность среды, а также возможность рассматривать движение каждой частицы независимо от других. Практически эти условия означают, что уравнения движения частиц в жидкости или газе достаточно строго справедливы лишь для сильно - разбавленных суспензий и газовых взвесей, твердые частицы которых велики по сравнению с размерами молекул среды и длинами их свободного пробега, а расстояния между частицами и удаление от стенок сосуда зня - чительно превышают их размеры.
Наибольшее практическое значение имеет область применимости закона Стокса (Re<0,2), поскольку се- диментационному анализу подвергаются обычно очень мелкие частицы и скорости их движения невелики. Применимость закона Стокса в области малых чисел Рей- нольдса ограничена, в принципе, требованием сплошности среды. Однако практически эта граница для седиментации в жидкости определяется требованием к скорости движения малых частиц, которая должна быть достаточно велика, чтобы время полного оседания не превышало, по крайней мере, нескольких часов. В противном случае малейшие температурные градиенты, вызывающие конвективные потоки жидкости, существенно изменяют ход седиментации.
Скорость падения в жидкости частиц неправильной формы может значительно отличаться от скорости движения сферических частей равной им массы. Разница в скорости зависит также от ориентации анизометричных частиц относительно направления их движения. Однако вряд ли имеется практическая возможность учета формы частиц. Поэтому порошки с резко аннзометричными частицами исследовать седиментационным путем вообще не рекомендуется. Во всех практических определениях за разімер частиц принимают диаметр эквивалентной по скорости падения сферической частицы, т. е. явно или неявно считают частицы сферическими, оговариваясь, что размеры являются седиментационными (или стоксовскими).
Гранулометрический состав является наиболее полной дисперсной характеристикой порошка. Однако во многих случаях достаточной, а порой и единственно необходимой является величина удельной поверхности. В настоящее время наиболее часто ее определяют по воздухопроницаемости спрессованного слоя порошка и по эффекту низкотемпературной адсорбции азота
Определение удельной поверхности по воздухопроницаемости является самым распространенным способом дисперсионного анализа порошков. Его широко применяют в научных исследованиях и особенно для контроля производственных процессов. Метод отличается простотой аппаратурного оформления, экепрессиостью
Измерений и легкостью расчетной работы. Известны два его варианта. В одном из них, разработанном Козени и Карманом (метод КК), используют эффект фильтрации через слой спрессованного порошка воздуха при атмосферном давлении, в другом (метод Дерягина) — при значительном разрежении в так называемом кнудсенов - ском режиме. В обоих вариантах основой являются теоретические или экспериментальные закономерности течения газов через пористые тела.
Как показывает опыт, практическое использование методов фильтрации во. многих случаях обнаруживает серьезные затруднения принципиального характера, ставящие под сомнение его корректность. Имеются значительные расхождения в величинах удельных поверхностей, определенных методами проницаемости и другими. Наблюдается также неоднозначность значений удельных поверхностей по воздухопроницаемости при изменении уплотнения порошка. Вызывает возражения применение воздуха при атмосферном давлении для анализа высокодисперсных порошков
Основой теории метода КК является соотношение Пуазейля для течения вязких жидкостей по трубам. Пористое тело моделируют системой параллельных капилляров и из экспериментальных данных вносят поправку на их извилистость. Вводят понятие гидравлического радиуса, величина которого определяется пористостью слоя и удельной поверхностью порошка. Для случая, когда размеры пор сравнимы с длиной среднего свободного пробега молекул газа при температуре'опыта, вводят поправку на скольжение и молекулярное течение.
Основой теории Дерягина является соотношение Эйнштейна для коэффициентов диффузии, (применение которого к реальному пористому телу позволило нам получить формулу удельной поверхности для киудсеновского режима фильтрации [8]. Вычисленные но этой формуле значения удельной поверхности инвариантны относительно изменения пористости слоя. Условие такой инвариантности является, вместе с тем, наиболее общим критерием применимости методов воздухопроницаемости и соответствующей формулы расчета для определения дисперсности порошков.
Для определения поверхности по эффекту низкотемпературной адсорбции паров экспериментально измеря - - ют величину адсорбции газа при заданной температуре
И его давление. Удельную поверхность рассчитывают по уравнению полимолекулярной адсорбции, предложенному Брунауэром, Змметом и Теллером (БЭТ).
Практика работы с измельченными материалами показывает, что для полной характеристики степени их дисперсности вполне достаточно набора методов, краткое описание которых дано выше. Микроскопический анализ позволяет інайти коэффициент формы частиц и распределение их числа по размерам, а ситовой в сочетании с седиментационным — весовое распределение во всем диапазоне их размеров. Методом воздухопроницаемости измеряют внешнюю удельную поверхность частиц и агрегатов, что позволяет вычислить их средний размер. Адсорбционные способы позволяют найти значение полной удельной поверхности с учетом микрошероховатости и внутренних пор. Отношение этих двух значений удельной поверхности может служить мерой «неидеальности» строения частиц.
Несомненно, что в исследовательской работе с измельченными порошками необходимы все перечисленные методы. Сочетание и анализ полученных с их помощью значений дисперсности обычно позволяет разобраться в особенностях процесса измельчения и в изменениях физико-химических свойств измельченных материалов. Однако для заводского контроля чаще всего достаточен один из методов дисперсионного анализа. Выбор метода дисперсионного анализа в этом случае лимитируется, во-первых, поставленной перед производством задачей и, во-вторых, наличием функциональной нлн коррелятивной взаимосвязи между показаниями метода и свойствами порошков конкретных материалов в определенных условиях их получения
Например, в производстве наполнителей из-за особенностей технологии их переработки верхний предел размеров частиц лимитируется обычно в пределах 140— 40 мкм. Естественно, что ситовой анализ в той или иной форме является в данном случае необходимым элементом заводского контроля. Для продуктов, применяемых в химических процессах, а также для вяжущих строительных материалов наиболее важным показателем является величина молекулярнодоступной удельной поверхности порошков, при прочих равных условиях определяющей скорость гетерогенных химических процессов. Следовательно, в данном случае приемлем адсорбционный оно - ооб ее измерения. При необходимости контроля формы частиц следует воспользоваться микроскопическим анализом.
Метод воздухопроницаемости при атмосферном давлении как самый простой и наименее трудоемкий применяют чаще других. В большинстве случаев получаемые с его помощью данные достаточны для заводского контроля степени измельчения. Критерием применимости этого метода является инвариантность (в пределах точности •прибора и способа измерения) величины удельной поверхности от уплотнения слоя порошка. У порошков, которым не свойственно образовывать высокопористые структуры, такая инвариантность соблюдается. Рассчитанные по удельной поверхности средние размеры частиц достаточно близки к значениям, получаемым по кривой распределения.
Распределение частиц по 'размерам в измельченных порошках в большинстве случаев описывается двупара - метрической кривой. Причем для определенных материалов и способов их обработки (вид мельницы и сепаратора, режим их работы) между двумя параметрами распределения, например между средним размером и дисперсией, наблюдаются достаточно строгие коррелятивные зависимости. Это обстоятельство позволяет (имея достаточный опыт) ограничиться для контроля степени измельчения какой-либо одной характеристикой диспер-' сности. Однако выбору способа ее измерения обязательно должен предшествовать тщательный дисперсионный анализ испытуемого порошка, полученного как в нормальных условиях, так и с возможными отклонениями условий его измельчения от нормы Необходимо также всегда анализировать ошибки измерений и оценивать точность, с которой измеряемые значения данного параметра могут определять кривую распределения. Так, например, очевидно, что даже при самых тщательных измерениях остатки на ситах не могут служит для описания кривой гранулометрического состава, если суммарная их величина мала.
Оставить комментарий