Language
Country/Area
No result found
Знаете ли вы, как порошки слипаются из-за слабых молекулярных сил?
Порошок — это сухое твердое вещество, состоящее из множества очень мелких частиц, которое свободно рассыпается при встряхивании или наклоне. Порошки считаются особой подкатегорией гранулированных материалов, хотя термины «порошок» и «гранулированный» иногда используются для различения разных категорий материалов. Порошками называют материалы, которые состоят из мелких частиц и, следовательно, с большей вероятностью образуют комки при течении, в то время как гранулами обычно называют материалы, которые состоят из более крупных частиц и, как правило, не образуют комков, за исключением случаев, когда они влажные.
Многие промышленные товары существуют в форме порошка, например, мука, сахар, молотый кофе, сухое молоко, тонер для копировальных аппаратов, порох, косметические порошки и некоторые лекарства.
В природе примерами порошков являются пыль, мелкий песок и снег, вулканический пепел и верхний слой почвы на поверхности Луны. Ввиду своей важности в промышленности, медицине и науках о Земле порошки подробно изучаются инженерами-химиками, инженерами-механиками, химиками, физиками, геологами и исследователями в других областях.
Механические свойства порошков
Порошки обычно имеют гораздо большую общую плотность как в уплотненном, так и в рыхлом состоянии, чем материалы с крупными частицами. При рассыпании порошок может казаться очень легким и пушистым; после вибрации или сжатия он может стать очень плотным и даже потерять способность к сыпучести. Напротив, общая плотность крупного песка существенно не меняется. Агломерационное поведение порошков обусловлено молекулярными силами Ван-дер-Ваальса, которые заставляют отдельные частицы прилипать друг к другу. Эта сила существует не только в порошке, но также в песке и гравии. Однако в этих крупнозернистых материалах вес и инерция отдельных частиц намного превышают очень слабые силы Ван-дер-Ваальса, поэтому крошечные сцепления между частицами не оказывают доминирующего влияния на общее поведение материала. Только когда частицы очень малы и легки, силы Ван-дер-Ваальса начинают доминировать, заставляя материал агломерироваться, образуя порошок.
Границу между состоянием течения и состоянием вязкости можно определить с помощью простых экспериментов.
Многие другие характеристики поведения порошка являются общими для всех гранулированных материалов, включая классификацию, расслоение, блокирование и разблокирование, хрупкость, потерю кинетической энергии, сдвиг при трении, уплотнение и расширение Рейнольдса.
Транспортировка порошков
Порошки переносятся в атмосфере иначе, чем крупнодисперсные материалы. Во-первых, у мельчайших частиц мало инерции, чтобы противостоять сопротивлению окружающего газа, поэтому они, как правило, движутся вместе с потоком, а не по прямой. Поэтому порошок может представлять опасность при вдыхании. Более крупные частицы не способны проникнуть через защитные барьеры организма в носовых полостях и придаточных пазухах, но поражают слизистые оболочки и прилипают к ним. Затем организм выводит эти частицы посредством слизи. С другой стороны, более мелкие частицы могут напрямую попадать в легкие и не могут быть выведены наружу.
Серьезные, а иногда и смертельные заболевания, такие как силикоз, могут возникнуть в результате воздействия определенных порошков без адекватной защиты органов дыхания.
Кроме того, если частицы порошка достаточно малы, они могут оставаться взвешенными в атмосфере в течение значительных периодов времени. Хаотичное движение молекул воздуха и турбулентность создают восходящую силу, которая может противодействовать нисходящему эффекту гравитации. Напротив, крупные частицы слишком тяжелы и сразу же падают обратно на землю. После того, как пыль поднимается, она может образовывать крупные пыльные бури, которые проносятся через континенты и океаны, прежде чем вернуться на поверхность. Это объясняет, почему в природной среде практически нет вредной пыли.
Риск взрыва
Многие распространенные порошки, производимые в промышленности, являются горючими, особенно металлические или органические материалы, такие как мука. Поскольку порох имеет такую большую площадь поверхности, после возгорания он может гореть со взрывной силой. Поэтому такие предприятия, как мукомольные заводы, не имеющие надлежащих мер защиты от пыли, могут оказаться уязвимыми к таким взрывам.
Некоторые металлы особенно опасны в виде порошка, особенно титан.
По сравнению с другими веществами порошки обладают уникальными свойствами. Сухая паста или гель могут превратиться в порошок при тщательном высыхании, но во влажном состоянии они не считаются порошком, поскольку не текут свободно. Такие материалы, как сухая глина, хотя и представляют собой сухие твердые вещества, состоящие из очень мелких частиц, не считаются порошками, если они не измельчены, поскольку силы сцепления между частицами слишком велики, чтобы течь свободно, как порошок. Жидкости текут иначе, чем порошки, поскольку они не могут противостоять никакому напряжению сдвига и, следовательно, не могут оставаться устойчивыми под наклоном (т. е. их угол покоя равен нулю). Порошок, с другой стороны, является твердым веществом, поскольку он может выдерживать напряжение сдвига и, следовательно, иметь угол естественного откоса.
Поведение порошков является важной областью исследований дисперсных материалов, и его понимание имеет решающее значение как с точки зрения промышленных технологий, так и с точки зрения риска для здоровья. В этой научной области нам следует больше думать о том, как безопасно использовать свойства этих мельчайших частиц на благо человеческой жизни и работы?
