粉末是一種由許多非常細小的顆粒組成的乾燥固體,當搖動或傾斜時,它們可以自由流動。粉末是一種特殊的顆粒材料子類,儘管有時「粉末」和「顆粒」這兩個術語會被用來區分不同類別的材料。尤其是粉末通常指那些顆粒較細的顆粒材料,因此更容易在流動時形成團塊。而顆粒則是指那些顆粒較粗的材料,除非在潮濕的情況下,否則它們不會形成團塊。
許多製造的產品都以粉末形式存在,例如麵粉、糖、研磨咖啡、奶粉、複印機碳粉、火藥、化妝粉以及某些藥品。
在自然界中,塵土、細沙、雪、火山灰和月球表層的土壤也是粉末的例子。由於粉末在工業、醫療和地球科學中的重要性,許多化工工程師、機械工程師、化學家、物理學家、地質學家及其他研究人員都對粉末進行了詳細研究。
通常,粉末的密度變化範圍遠大於粗顆粒材料,因為它們可以被壓實或鬆散。當撒下粉末時,可能會非常輕盈和蓬鬆;而當粉末被震動或壓縮時,則可能變得非常密實,甚至失去流動能力。而粗沙的密度則不會有顯著變化。粉末的團聚行為源自於分子範德瓦力,使個別顆粒彼此粘結。
這種力不僅存在於粉末中,也存在於沙子和砾石中。但在這些較粗的顆粒材料中,顆粒的重量和慣性遠大於非常微弱的範德瓦力,因此微小的粘結對材料的整體行為並不具有主導作用。
唯有當顆粒非常小且輕時,範德瓦力才會變得顯著,造成材料像粉末一樣凝聚。流動條件與黏著條件之間的交叉點可以藉由簡單的實驗來確定。此外,粉末的許多行為也在所有顆粒材料中是共通的,包括分離、分層、卡住、解卡、脆弱性、動能損失、摩擦剪切、壓實以及瑞諾茲稀鬆度現象。
粉末在氣氛中的運輸方式不同於粗顆粒材料。一方面,微小顆粒相比於其周圍氣體的阻力,幾乎沒有慣性,因此它們會隨著氣流移動,而不是直線運行。因此,粉末可能成為吸入危險。較大的顆粒無法穿過人體鼻腔和鼻竇中的防禦,但卻會撞擊並粘附到粘膜上,身體隨後會把粘液推出體外以排除這些顆粒。
相反地,較小的顆粒則會一直進入肺部,而無法排除。長期接觸某些粉末而未提供足夠的呼吸防護,可能導致嚴重並且有時致命的疾病,如矽肺病。
此外,如果粉末顆粒小到一定程度,可能會在空氣中懸浮很長一段時間。空氣分子的隨機運動和湍流提供的向上力量,可能抵消重力的向下推力。而較粗的顆粒則因為太重而會立即掉落到地面。擾動後,塵土可能形成巨大的塵暴,跨越大陸和海洋,然後再沉降到表面。
許多常見的工業粉末是可燃的,尤其是金屬或有機材料,如麵粉。由於粉末具有非常高的表面積,一旦點燃,就可以以爆炸的力量燃燒。像是麵粉廠等設施,若未採取適當的粉塵防範措施,將會非常脆弱。
一些金屬在粉末狀態下特別危險,尤其是釦鈦。
一種膏體或凝膠在徹底乾燥後可能變成粉末,但在潮濕的情況下,它並不被視為粉末,因其無法自由流動。像是乾燥的粘土,雖然是由非常細小的顆粒組成的,但如果不經過壓碎,則不會被視為粉末,因為顆粒之間的內聚力過強,因此無法像粉末那樣自由流動。
液體的流動與粉末不同,因為液體無法抵抗任何剪應力,因此它不能在傾斜的角度上停留而不流動;而粉末則可以支持剪應力,因此可以顯示出一定的放攤角。
隨著科學技術的不斷進步,粉末在各行各業的應用也越來越廣泛,但這其中的潛在危險卻時常被忽視。這些粉末是否真得是我們想要忽略的危險呢?