ПРОЦЕССЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ в РОМЫШЛЕННОСТИ

ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ПАСТ

Прессовое гранулирование обычно осуществляется по мокрому способу, поэтому масса, некоторое время находя­щаяся в виде порошка, переходит в пастообразное состо­яние. Паста — это дисперсная система, состоящая из час­тичек дисперсной фазы и прослоек дисперсионной среды (обычно воды). Для проведения процесса гранулирования особенно важны такие свойства паст, как их реологичес­кие характеристики и способность к созданию пространст­венных структур. Эти свойства паст изучают реология — наука о деформациях, вязкостных свойствах и природе течения неньютоновских жидкостей — и физико-химическая механика дисперсных структур.

Пасты относятся к неньютоновским жидкостям, вяз­кость которых не остается постоянной при заданных тем­пературе и давлении, а зависит от других факторов, таких, как скорость деформации сдвига, предыстория жидкости и конструктивных особенностей аппаратуры, в которой находится жидкость.

Неньютоновские жидкости делятся на несколько групп [62].

Неньютоновские жидкости с реологическими харак­теристиками, не зависящими от времени. Свойства систем этого типа описываются реологическим уравнением [62]

Т = /М. (142)

показывающим, что скорость сдвига в каждой точке явля­ется простой функцией напряжения сдвига в той же точке.

Такие вещества называют неньютоновскими вязкими жид­костями. В зависимости от вида функции в уравнении (142) они подразделяются на бингамовские пластичные, псевдо - пластичные и дилатантные жидкости.

График течения бингамовских пластиков — прямая ли­ния, пересекающая ось напряжения сдвига на расстоянии ху от ее начала. При превышении напряжения текучести Ху возникает вязкое течение, реологическое уравнение кото­рого [731

х — ху = ppY; т > Ху, • (143)

где Рр — пластическая вязкость или коэффициент жесткости при сдвиге, численно равный тангенсу угла наклона кри­вой течения.

На практике удобно применять понятие идеализирован­ного пластичного тела, поскольку многие реальные жид­кости близки к нему, например, шламы, буровые растворы, масляные краски, сточные грязи и т. д.

Поведение бингамовских пластиков объясняется нали­чием у них в состоянии покоя пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напря­жению, не превосходящему ПО величине Ту. Напряжение, превосходящее Ху, полностью разрушает структуру, и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига т—ху. Если напряжение сдвига становится меньше ху, структура снова восстанавливается.

Псевдопластики не обнаруживают предела текучести, кривая течения их показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, т. е. кажущаяся вязкость ря, постепенно понижается с ростом скорости сдвига. В преде­ле кривая течения становится линейной (при очень больших деформациях сдвига). Предельный наклон графика назы­вается ВЯЗКОСТЬЮ при бесконечно большом сдвиге |i„.

Для многих псевдопластиков характерно реологическое уравнение степенного вида

х = kYn, (144)

где k — мера консистенции (чем выше вязкость, тем больше k) п — характеристика степени неньютоновского поведения материала (n< 1), чем больше п отличается от единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновские свойства; k и п — постоянные для данной жидкости.

В работе [62] псевдопластичиость объясняется тем, что с возрастанием скорости сдвига асимметричные частицы или молекулы вместо хаотических движений, которые они совершают в покоящейся жидкости, своими большими ося­ми постепенно ориентируются вдоль направления потока. Кажущаяся вязкость убывает с ростом скорости сдвига до тех пор, пока сохраняется возможность дальнейшего ориен­тирования частиц вдоль линий тока, а затем кривая тече­ния становится линейной.

Структурно-механические характеристики псевдояласти - ков не зависят от времени, из чего можно вывести заключе­ние, что ориентирование частиц происходит очень быстро {почти мгновенно) при возрастании скорости сдвига.

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них отсутствует предел текучести, однако их кажу­щаяся вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига. Реологическое уравнение для них также имеет степенной вид, но показатель степени п превышает единицу. Впервые такой тип течения обнаружил Рейнольдс при исследовании суспензий с большим содержанием твердой фазы. Он объяснил это явление тем, что в состоянии покоя суспен­зии имеют минимальный объем прослоек между твердыми частицами и жидкости хватает только для заполнения этих прослоек. При сдвиговых усилиях с небольшой скоро­стью деформации жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц друг о друга, и напряжения невелики. При больших сдвигах плотная упаковка частиц нару­шается, материал разбухает и жидкости уже недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц, следовательно, растет величина напряжений. Процесс структурообразо- вания, таким образом, является причиной быстрого на­растания кажущейся вязкости при увеличении скорости сдвига.

Тиксотропные и реопектические жидкости. Для жид­костей этой группы кажущаяся вязкость определяется не только скоростью сдвига, но и его продолжительностью. В соответствии с убыванием или возрастанием со време­нем напряжения сдвига, если жидкость деформируется с постоянной скоростью сдвига, различают тиксотропные и реопектические жидкости.

Системы, консистенция которых зависит от продолжи­тельности сдвига и величины скорости сдвига, называются тиксотропными.

Когда деформируется тиксотропный материал, его струк­тура постепенно разрушается, а кажущаяся вязкость сни­жается со временем. Быстрота разрушения структуры при определенной скорости сдвига зависит от числа свя­зей до начала разрушения структуры и должна поэтому уменьшаться с течением времени, что можно сравнить со скоростью химической реакции первого порядка. Но при этом возрастает также скорость восстановления структу­ры, так как увеличивается число возможных новых связей.

В конечном итоге наступает динамическое равновесие, ког­да скорости структурообразования и разрушения структу­ры становятся равными друг другу. Состояние равновесия зависит от скорости сдвига Y и смещается в сторону более интенсивной деструкции при возрастании Y.

На рис. 33 [62] представлено поведение тиксотропного вещества в соосноцилиндрическом вискозиметре, один из цилиндров которого приводят во вращение с постоянным числом оборотов. Как видно из рисунка, крутящий момент, переданный через материал другому цилиндру, будет убы­вать во времени. Скорость убывания и конечное значение крутящего момента зависит от скорости вращения, т. е. от скорости сдвига.

Тиксотропия — обратимый процесс, т. е. после исчезно­вения возмущений жидкости ее структура постепенно восстанавливается. На рис. 34 [62] представлены кривые течения тиксотропного материала, определенные непо­средственно после приложения напряжения сдвига и в

состоянии покоя для различных промежутков времени, от­считываемого от начала сдвига.

Если скорость сдвига равномерно возрастает, а затем равномерно убывает, то соответствующие напряжения сдви­га обнаруживают явление гистерезиса, как это представ­лено на рис. 35 [62]. Термин «псевдотело» [73] введен для того, чтобы различать истинную тиксотропию бингамов­ских пластиков, в которых структура полностью разруша­ется под воздействием больших напряжений сдвига, и тик­сотропию жидкостей, которые не теряют полностью свойств твердого тела.

Рис. 35. Гистерезисные петли:

а — тиксотропной жидкости; б — псевдотела.

Реопектическим жидкостям свойственно постепенное структурообразование при сдвиге.

Исследованиями [62] установлено, что 42%-ный водный раствор гипса затвердевает вдвое быстрее, если сосуд под­вергнуть перекатыванию, чем после резкого встряхивания. Следовательно, небольшое перемещение сдвигового харак­тера способствует образованию структуры, в то время как значительные сдвиги разрушают ее. Свойства реопексии — структурирования под воздействием сдвиговых усилий — обнаруживаются при небольшой величине последних, если же скорость сдвига велика, образования структуры не происходит.

Вязкоупругие жидкости. Для них характерно как уп­ругое восстановление формы, так и вязкое течение. Типич­ными представителями этой группы являются смолы. Вяз­коупругая жидкость не может быть охарактеризована про­стым реологическим уравнением типа Y = f(r). Основное
отличие заключается в том, что реологическое уравнение вязкоупругой жидкости должно содержать производные по времени как от Y, так и от т. Качественные сведения о вязкоупругих жидкостях можно получить, изучая идеа­лизированные модели, представляющие собой комбинации пружин и поршней. В этих моделях натяжение пружины представляет деформацию, а сила, действующая на пор­шень, пропорциональна скорости деформации.

Структурирование в пастах. Своеобразие поведения паст, обусловливающее отклонение их от законов течения ньюто­новских жидкостей, объясняется созданием (или разруше­нием) в их массе пространственной структуры.

Знание законов структурообразования паст чрезвы­чайно важно для успешного осуществления процесса грану­лирования. Прессовое гранулирование характеризуется как процесс создания структурированных быстро отвер­ждающихся систем. Вопросы создания и разрушения струк­тур в различных материалах изучает физико-химическая механика материалов.

Простейшим типом дисперсных структур являются ши­роко распространенные коагуляционные структуры, об­разованные сцеплением частиц ван-дер-ваальсовыми сила­ми не в компактные агрегаты, а в цепочки и неупорядочен­ные пространственные сетки — рыхлые каркасы из пер­вичных частиц, их цепочек или агрегатов. Чаще всего коагуляционные структуры образуются при малом объем­ном содержании дисперсной фазы, когда число частиц до­статочно велико в единице объема системы при достаточно высокой дисперсности. Эти структуры возникают и развива­ются в результате благоприятных броуновских соударений частиц высокодисперсной коллоидной фракции. Структура пронизывает весь объем системы и вызывает тиксотропное отверждение жидкой дисперсионной среды. Таковы струк­турированные коллоидные суспензии бентонитовых глин в воде.

В контакте между частицами при образовании коагу­ляционной сетки остаются тонкие прослойки жидкой дис­персионной среды, толщина которых соответствует миниму­му свободной энергии системы. Эти устойчивые прослойки жидкой фазы в участках коагуляционного сцепления пре­пятствуют дальнейшему сближению частиц и обусловли­вают их механические свойства: пониженную прочность, которая намного ниже, чем прочность структур той же

концентрации, но при непосредственных фазовых контак­тах частиц; ползучесть при малых напряжениях сдвига, а в более концентрированных дисперсиях (пастах) — яв­ную пластичность; способность к полной тиксотропии — обратимому разрушению при механических воздействиях.

Коагуляционные структуры проявляют также способ­ность к замедленной упругости — ярко выраженному упругому последействию, аналогичному каучукообраз­ной высокоэластичности. Упругое последействие эласто­меров объясняется гибкостью макромолекул. Сдвиговая высокоэластичность коагуляционных структур, как уста­новлено экспериментально, связана со взаимной ориента­цией частиц — палочек, пластинок или цепочек в направ­лении сдвига. Экспериментально установлено, что при этом развивается как быстрая высокоэластическая деформация с периодом ретардации (восстановления) порядка (10... 1) мс, что связано с поворотом частиц вокруг коагуляцион­ных контактов без скольжения, так и медленная высоко­эластическая деформация с периодом ретардации 1—5 мин, обусловленная перемещением узлов контакта по поверхно­сти одной из частиц в направлении сдвига 1631. Описан­ные явления наблюдаются в области тиксотропного вос­становления (практически неразрушенных структур) при малых напряжениях сдвига и малом объемном содержании дисперсной фазы.

При увеличении объемного содержания дисперсной фа­зы прочность коагуляционной структуры превышает не­который предел и механическое разрушение ее перестает быть обратимо-тиксотропным. Например, пластично форму­ющиеся керамические пасты могут восстанавливать проч­ность дисперсной структуры (после разрушения) только под напряжением в условиях пластической деформации, обеспечивающей истинный контакт по всей поверхности. С дальнейшим уплотнением системы и удалением жидкой дисперсионной среды испарением, вследствие чего увели­чивается число связей в единице объема и уменьшается толщина прослоек между частицами, исчезает высокоэлас - гичность и пластичность.

На прочность структуры большое влияние оказывают виды контактов. Коагуляционные контакты характеризу­ются прослойками дисперсионной среды между частицами, при повышении концентрации дисперсной фазы возникают точечные контакты. При прессовом гранулировании обыч­но создаются фазовые контакты — взаимодействие частиц на достаточно большой площадке. В отличие от коагуля­ционных контактов обратимых тиксотропных структур возникновение атомных и фазовых контактов приводит к развитию необратимых структур. Среди них интерес пред­ставляют кристаллизационные структуры, пространствен­ная сетка которых состоит из сросшихся кристалликов. Возможны кристаллизационные структуры, представля­ющие собой при определенных условиях высококонцентри­рованные коагуляционные образования. Объясняется это размягчением закристаллизованных прослоек дисперсион­ной среды при повышенной температуре или иных условиях.

Практическое значение для проведения прессового гра­нулирования имеет выяснение зависимости прочности крис­таллизационных структур от величины пористости, разме­ров частиц и толщины прослоек между ними. Чем меньше эти величины, тем выше прочность, что объясняется увели­чением числа контактов и уменьшением внутри частиц опас­ных дефектов, пронизывающих все реальные твердые тела.

Интересно отметить, что свойства структур зависят в основном от видов контактов и лишь в незначительной сте­пени — от свойств частиц. Например, коагуляционные структуры жестких частиц обладают вязкопластичностью и высокоэластичностью, а мелкозернистые металлы — некоторой пластичностью, но значительно меньшей, чем у каждого отдельного кристалла 163].

Целью прессового гранулирования является получе­ние гранул из исходного порошка (или смеси порошков).