msgbartop
Оборудование для производства строительных блоков
msgbarbottom

04 Сен 12 ВЫБОР МЕТОДОВ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА

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

Число отверстий

Размер отверстий

Число отверстий на 1 дюйм

По стандартам

Ыа 1 см

В 1 смг

В мкм

В дюймах

США

Тэйлер

Англия

130

16 900

40

0,0016

44

0,0017

325

325

_

45*

0,0018

_

_

50

0,0020

_

,

53

0,0021

270

270

300

56

0,0022

--

_ .

62 .

0,0024

230

250

_

100

10 000

63*

0,0025

_

_

_

66

0,0026

_

_

240

80

6 400

71

0,0028

_

74

0,0029

200

200

_

76

0,0030

_

200

80

0,0032

_

_

88

0,0035

170

170

170

70

4 900

90*

0,0036

___

_

60

3 600

100

0,0039

_

_

_

105

0,0041

140

150

150

50

2 500

125*

0,0049

120

115

120

147

0,0058

_

100

149

0,0059

100

_ _

_

152

0,0060

_

_

100

40

1 600

160

0,0063

_

_

175

0,0069

_

80

_

177*

0,0070

80

85

30

900

200

0,0079

_

_

208

0,0082

_

65

_

210

0,0083

70

72

246

0,0097

_

60

24

576

250*

0,0098

60

_

251

0,0099

_

_

60

295

0,0116

_

48

52

297-

0,0117

50

_

20

400

315

0,0124

_

_

350

0,0138

45

42

_

353*

0,0139

_

_

44

16

256

400

0,0158

_

_

417

0,0164

_

35

___

420

0,0165

40

_

495

0,0195

_

32

_

12

144

500*

0,0197

35

30

590

0,0232

30

28

600

0,0236

_

_

25

10

100

630

0,0248

_

-- \

699

0,0275

_

_

22

701 •

0,0276

24

Fl Of^/cPj-V

Продолжение табл. I

Число отверстий

Размер отверстий

Число отверстий на I дюйм по .стандартам

На 1 см

В 1 см'

В мкм

В дюймах

США

Тэйлер

Англия

710*

0,0280

25

_

_ .

8

64

800

0,0315

_

833

0,0328

20

_

840

0,0331

20

_

_

853

0,0336

18

__

991

0,0390

16

6

36

1000*

0,0394

18

16

_

1003

0,0395

—'

_

_

1168

0,0460

14

_

_

1190

0,0469

16

_

_

1204

0,0474

14

5

25

1250

0,0492

_

1397

0,0550

12

_

_

1405

0,0553

12

_

_

1410

0,0555

14

4

16

1600

0,0630

_

1651

0,0650

10

__

--

1676

0,0660

10

__

_

1680

0,0661

12

_

--

1981

0,0780

9

3

9

2000*

0,0787

10

_

2057

0,0810

8

___

_

2362

0,0930

8

__ .

_

2380

0,937

8

_

_

2411

0,0949

7

2.4

5,8

2500

0,0985

_

2794

0,1100

7

_

_

2812

0,1107

6

_

_

2830

0,111

7

2

4

3150

0,124

_

_ .

3327

0,131

6

_

3360

0,132

6

_ .

--

3962

0,156

5

1.5

2,25

4000*

0,157

5

4699

0,185

4

_

4760

0,187

4

1,2

1,44

5000

1,197

5613

0,221

3,5

_

5660

0,223

3,5

1

1

6300

0,248

_

6680

0,263

3

_

_

6730

0,265

3

_

_

7925

0,312

2,5

_

8000*

0,315

2,5

• 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),

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