Понижения прочности

Влияние среды на кинетику измельчения. Эффект адсорбционного

Измельчение твердых тел можно значительно облегчить, используя эффект адсорбционного понижения прочности. Этот эффект впервые был установлен П.А. Ребиндером в 1928 г. и нашел широкое применение на практике. Он заключается в понижении прочности твердых тел в адсорбционно-активной среде вследствие физических и химических взаимодействий в поверхностном слое.

Все твердые тела имеют поверхностные и внутренние дефекты. Разрушение тел облегчается, если каким-либо образом способствовать развитию этих дефектов. Адсорбционное понижение прочности и заключается в развитии разнообразных дефектов при меньших напряжениях.

Наличие микротрещин позволяет окружающей среде проникать в поверхностный слой материала. Адсорбция и обусловленное ею снижение поверхностной энергии приводит к увеличению размеров трещин и снижению уровня напряжений, при котором микротрещины развиваются в трещины разрушения.

Если окружающая среда – жидкость, то она образует в трещинах тончайшие пленки, обладающие значительным избытком свободной энергии, возрастающим с уменьшением толщины пленки.

Чтобы уменьшить свободную поверхностную энергию, пленка жидкости стремится принять форму шара, т.е. такую форму, при которой ее поверхность минимальна. Стремление пленки жидкости “утолститься” в микротрещине оказывает расклинивающее давление на стенки трещины. Расклинивающее давление жидкости весьма значительно (для воды, например, порядка 250 МПа в наиболее узких местах трещины) и определяется энергией смачивания данной жидкости поверхности данного тела ().

Капиллярное давление P_к, характеризирующее всасывающую силу, определяется по формуле:

,

где Θ – краевой угол смачивания; r – ширина щели.

Кинетика всасывания зависит также от вязкости жидкости , поэтому для усиления эффекта расклинивающего действия необходима значительная выдержка для достаточно полного всасывания жидкости в весьма узкие микрощели, где ее действие особенно эффективно.

Для повышения энергии смачивания тела жидкостью используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ мигрируют по адсорбирующей поверхности твердого тела, проникая в микрощели и покрывая ее стенки равномерным адсорбционным слоем (обычно мономолекулярным). Глубина проникновения ПАВ ограничивается размером адсорбируемых молекул. Движущая сила втягивания адсорбционных слоев в трещины

,

где – поверхностная энергия твердого тела; – то же, покрытого молекулами ПАВ.

Влияние различных сред на измельчение и другие механические процессы были изучены Г.С. Ходаковым. Так, при помоле кварца были получены следующие результаты (табл. 3.1).

Таблица 3.1 – Изменение удельной поверхности S (в м²/г) кварца в процессе

его измельчения с различными жидкостями

Анализ табличных данных свидетельствует о возможности очень плотного слипания (агрегатирования) частиц при измельчении и о роли воды в предотвращении этого явления вследствие ее дезагрегирующего действия.

Как видно из представленных результатов, эффективность диспергирования в активной среде (в воде) в 5…7 раз выше по сравнению с помолом в среде воздуха при одинаковой затрате энергии.