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弱い分子力によって粉体が凝集する仕組みをご存知ですか？
粉末は、多数の非常に細かい粒子で構成された乾燥した固体で、振ったり傾けたりすると自由に流れます。粉末は粒状物質の特別なサブカテゴリと見なされますが、「粉末」と「粒状」という用語は、異なるカテゴリの物質を区別するために使用されることもあります。粉末は、特に粒子が細かく、流動時に塊を形成しやすい材料を指します。一方、顆粒は、一般的に粒子が粗く、湿っている場合を除いて塊を形成しない材料を指します。
小麦粉、砂糖、挽いたコーヒー、粉ミルク、コピー機のトナー、火薬、化粧品の粉末、一部の医薬品など、多くの工業製品は粉末の形で存在します。
自然界では、塵、細かい砂や雪、火山灰、月の表面の土壌の最上層などが粉末の例です。粉体は産業、医学、地球科学において重要であるため、化学技術者、機械技術者、化学者、物理学者、地質学者、その他の分野の研究者によって詳細に研究されています。
粉末の機械的性質
粉末は一般に、圧縮された範囲でも緩い範囲でも、粗い粒子の材料よりも全体的な密度がはるかに高くなります。粉末は、散布すると非常に軽くふわふわしているように見えますが、振動や圧縮を加えると非常に密度が高くなり、流動性を失うこともあります。対照的に、粗い砂の全体的な密度はそれほど変化しません。粉末の凝集挙動は、個々の粒子を互いに付着させる分子のファンデルワールス力に起因します。この力は粉体だけでなく、砂や砂利にも存在します。しかし、これらの粗粒材料では、個々の粒子の重量と慣性は非常に弱いファンデルワールス力よりもはるかに大きいため、粒子間の小さな接着は材料の全体的な挙動に大きな影響を与えません。粒子が非常に小さくて軽い場合にのみ、ファンデルワールス力が優勢になり、物質が粉末のように凝集します。
流動状態と粘性状態の境界は簡単な実験によって決定できます。
その他多くの粉体挙動は、分級、成層、ブロッキングとアンブロッキング、脆性、運動エネルギー損失、摩擦せん断、圧縮、レイノルズ膨張など、すべての粒状材料に共通する特性です。
粉体の輸送
粉末は、粗い粒子状物質とは異なる方法で大気中を輸送されます。まず、小さな粒子は周囲のガスの抵抗による慣性がほとんどないため、直線的に移動するのではなく流れに沿って移動する傾向があります。したがって、粉末を吸入すると危険が生じる可能性があります。より大きな粒子は鼻腔や副鼻腔の体の防御を貫通することはできませんが、粘膜に衝突して付着します。その後、体は粘液を体外に排出して粒子を除去します。一方、より小さな粒子は肺に直接到達し、排出することができません。
適切な呼吸保護をせずに特定の粉末にさらされると、珪肺症などの重篤で、場合によっては致命的な病気を引き起こす可能性があります。
また、粉末粒子が十分に小さい場合、かなりの期間、大気中に浮遊したままになる可能性があります。空気分子のランダムな動きと乱流は、重力の下向きの影響を打ち消す上向きの力を生み出します。対照的に、粗い粒子は重すぎるため、すぐに地面に落ちてしまいます。一度かき乱されると、塵は大規模な砂嵐を形成し、大陸や海洋を吹き渡って地表に戻ります。これが、自然環境中に有害な粉塵がほとんど存在しない理由です。
爆発の危険
産業界で製造される一般的な粉末の多くは可燃性であり、特に小麦粉などの金属や有機材料は可燃性です。火薬は表面積が大きいため、一度点火すると爆発的に燃え上がります。したがって、適切な粉塵防止対策を講じていない製粉工場などの施設は、このような爆発に対して脆弱になる可能性があります。
一部の金属、特にチタンは粉末状になると特に危険です。
他の物質と比較して、粉末には独特の特性があります。乾燥したペーストやゲルは、完全に乾燥すると粉末になりますが、湿っているときは自由に流れないため粉末とはみなされません。乾燥粘土のような物質は、非常に細かい粒子で構成された乾燥固体ではありますが、粒子間の凝集力が強すぎて粉末のように自由に流れることができないため、粉砕されない限り粉末とは見なされません。液体はせん断応力に耐えることができず、傾斜角で安定した状態を維持できないため（つまり、静止角がゼロ）、粉末とは異なる流れ方をします。一方、粉末はせん断応力に耐えることができ、したがって安息角を示すため固体です。
粉体の挙動は粒子状物質の研究における重要な分野であり、その理解は産業技術と健康リスクの両方の観点から非常に重要です。この科学分野において、私たちがもっと考える必要があるのは、これらの微粒子の特性をいかに安全に活用し、人間の生活や仕事に役立てるかということではないでしょうか。
