Вплив рідин та ПАР на процес подрібнення матеріалів

Відомо, що наявність рідин та ПАР на поверхні твердих тіл і те, що між ними немає взаємодії, може значно знижувати межу пружності матеріалів, їх твердість та міцність і тим самим полегшувати процес їх руйнування. Цей процес варто пов’язувати з механізмом руйнування твердих тіл, запропонованим П. А. Ребіндером та його науковою школою. Відповідно до пропонованого механізму в процесі деформації твердих тіл в їх поверхневому шарі виникають мікротріщини певної довжини l. Якщо довжина тріщини перевищує критичну довжину l_кр, то тріщина поширюється в ньому зі швидкістю звуку, і тіло руйнується. Якщо ж довжина тріщини менша за критичну довжину, то тріщина змикається (заліковується). При цьому цей процес супроводжується виділенням тепла. Тріщина не буде змикатися, якщо наступний імпульс прикладання навантаження під час деформації тіла матиме більшу швидкість, ніж швидкість змикання тріщини. Тріщина також не буде змикатися, якщо на поверхні твердого тіла наявні рідина або ПАР. При цьому обов’язковою умовою має бути змочування рідиною поверхні твердого тіла. У цьому випадку адсорбційні прошарки цих речовин будуть мігрувати по поверхні, попадати в тріщини і тим самим запобігати їх змиканню. Наявність плівок рідини між твердими поверхнями зумовлює їх розпирання, а якщо щілини дуже малі – збільшення відстані між ними.

Енергію такої плівки визначають за рівнянням

,

де – вільна поверхнева енергія межі поділу тверде тіло – рідина; – надлишок вільної енергії порівняно з товстими плівками.

Надлишок вільної енергії дорівнює нулю, якщо товщина щілини l більша або дорівнює подвійній товщині перехідного прошарку рідини на межі з твердим тілом і значно збільшується у разі її зменшення. Товщина перехідного прошарку збільшується зі збільшенням енергії змочування і тому для ліофільних систем розпиральна дія тонких плівок стає помітною вже за не дуже тонких щілин. Аналітично надлишок енергії можна порівняти з деяким тиском, який протидіє зменшенню товщини щілини. Цей тиск можна оцінювати так:

.

Слід також брати до уваги, що зниження міцності матеріалів пов’язано з прискореннямвиходу дислокацій на поверхню твердого тіла через зниження її поверхневої енергії в процесі адсорбції рідин. При цьому величина міжфазної поверхневої енергії також визначає роботу та ймовірність виникнення тріщин руйнування на базі слабких місць, спричинених їх дефектністю. Роботу можна визначати за виразом

, (2.20)

а ймовірність виникнення тріщини

. (2.21)

У виразах (2.20) і (2.21)

; ; ,

де – відстань між дефектами співмірна з розміром колоїдних частинок (10^-6 см); – напруження в тріщині; – коефіцієнт, який залежить від виду виниклих напружень. Для стягувальних напружень він менший від нуля, а для розтягальних – більший від нуля.

Відповідно до деформації металів та сплавів і їх руйнування вплив рідин та ПАР на цей процес може бути різним. Він залежить від умов руйнування, виду рідин, енергетичних характеристик на межі тверде тіло – рідина. Наявність рідин та ПАР на поверхні твердих тіл може зумовлювати або збільшення їх крихкості, або збільшення їх пластичності, або ж взагалі самостійне диспергування. У цьому разі основний критерій – величина зниження поверхневої енергії твердого тіла під час адсорбції на його поверхні рідин та ПАР. Так, зі зниженням поверхневої енергії на декілька десятків ергів на квадратний сантиметр (ерг/см²) [(1...5)10^-6 Дж] спостерігається збільшення пластичності матеріалу. Якщо ж поверхнева енергія зменшується у декілька разів, то матеріал становиться крихкішим. Зі зниженням поверхневої енергії до десятих часток ерг/см² [(1... 5)10^-8 Дж] відбувається самостійне диспергування матеріалу.

Вплив адсорбційних процесів рідин та ПАР на процеси руйнування твердих тіл значною мірою залежить від кількості дефектів кристалографічної будови матеріалу. Оскільки дефекти, особливо поверхневі, мають надлишкову вільну енергію, то на них першими будуть адсорбуватись ПАР. Це, у свою чергу, буде призводити до більшого зниження поверхневої енергії твердого тіла та збільшення його крихкості внаслідок того, що адсорбовані атоми рідин чи ПАР через дефекти структури будуть мігрувати з поверхні до місць зародження об’ємної тріщини. Адсорбція разом із зумовленим нею зниженням поверхневої енергії також призводить до збільшення розмірів тріщин та зниження рівня напружень, за яких вони досягають критичної довжини і переходять у тріщини руйнування. Тому адсорбційне зниження міцності матеріалів тим сильніше, чим більша дефектність матеріалів. У бездефектних матеріалах такі явища майже не спостерігаються.

У загальному випадку дія рідин та ПАР пов’язана зі значенням міжфазної поверхневої енергії, яка виникає у разі їх адсорбції на поверхні твердих тіл. Це зумовлено тим, що кількість дислокацій, потрібних для виникнення тріщини, пропорційне величині міжфазної енергії. Оскільки виникла тріщина руйнування розвивається здебільшого з поверхні твердого тіла, то зниження поверхневої енергії за рахунок адсорбційних процесів буде прискорювати (полегшувати) цей процес. При цьому умовою розвинення тріщини, що виникає у цьому випадку, є співвідношення:

,

де – розтяжні напруження; l_кр– критична довжина тріщини;

a – робота створення одиниці вільної поверхні. Цю роботу можна визначити за формулою

,

де – міжфазна поверхнева енергія; – питома робота, затрачувана на пластичну деформацію під час поширення тріщини.

Основний внесок у роботу зі створення нової поверхні внаслідок розвинення тріщини робить питома робота на пластичну деформацію , яка залежно від властивостей твердого тіла на 1–3 порядки більша за . Тому зменшення пластичності матеріалів, спричинене адсорбційними процесами – один з основних чинників, які зменшують витрати енергії на пластичну деформацію під час поширення тріщини і тим самим збільшують імовірність її розповсюдження.

На процес руйнування матеріалів також може впливати характер взаємодії адсорбованої рідини або ПАР з поверхнею тріщини. Зазвичай, розглядаючи тріщину, припускають, що вершина її має форму чечевиці різної гостроти. Якщо унаслідок взаємодії зовнішнього середовища з тріщиною гострота її вершини зменшується, то міцність матеріалу збільшується. Якщо ж унаслідок взаємодії матеріалу із зовнішнім середовищем виникають міцні його з’єднання, які як місток стягують вершину тріщини, гострота тріщини збільшується. Як наслідок міцність твердого тіла зменшується і знижується робота зі створення нової поверхні під час поширення тріщини.

За інших рівних умов вплив рідин та ПАР на процес подрібнення матеріалів також залежить від умов розмелювання, перш за все від інтенсивності дії на них молольних елементів (тіл). Найефективніший вплив справляється тоді, коли матеріал деформується з відносно меншою швидкістю, ніж швидкість міграції адсорбованої рідини по поверхні.

Важливе значення також має періодичність прикладання механічних навантажень. Якщо їх частота низька, то рідина може витискатись з тріщини, яка не досягла критичної довжини. Відбувається її змикання та заліковування поверхневих дефектів. Зі збільшенням частоти прикладання зовнішніх сил вплив рідини на інтенсивність розмелювання посилюється. Але в кожному випадку існують оптимальні значення частоти, оскільки з її збільшенням інтенсивність розмелювання також може зменшуватись. Останнє пояснюється тим, що в цьому випадку молекули рідини або ПАР не встигають адсорбуватись на вперше створюваних поверхнях і вплив їх на процес розвинення тріщини зменшується. Особливо це стосується розмелювання в’язких середовищ.

У разі розмелювання матеріалів за наявності рідини важливе значення також має її кількість та властивості. Так, за даними Г. С. Ходакова вплив кількості води на процес розмелювання кварцового піску має вигляд, як показано на рис. 2.20. Уже за вмісту води близько 0,04% інтенсивність розмелювання, про яку свідчить збільшення питомої поверхні порошку, підвищується і значно зростає, вміст води сягає 1%. Подальше збільшення в шихті води до 30% сприяє значному зниженню інтенсивності розмелювання. Більший вміст води прискорює процес розмелювання, швидкість якого стабілізується за вмісту води 50…80%. Такий характер впливу кількості води на процес розмелювання можна пояснити з погляду теорії коагуляційного структуроутворення.

Рис. 2.20. Вплив вмісту води на інтенсивність розмелювання твердих тіл за часу розмелювання (хв): 1 – 4; 2 – 6; 3 – 8; 4 –16

Відповідно до неї міцність коагуляційних структур визначається вандер-ваальсівськими силами, ефективність яких поширюється на відстань, яка не перевищує декількох молекулярних радіусів рідини, адсорбованої на поверхні твердих частинок. У зв’язку з цим, за вмісту води до 1%, що відповідає утворенню на поверхні її мономолекулярного шару, на інтенсифікацію розмелювання переважно впливає адсорбційне зниження міцності матеріалів. Збільшення кількості води до утворення на поверхні частинок 5...10 насичених моношарів призводить до збільшення сил зчеплення між частинками за рахунок ван-дер-ваальсівських сил та капілярного ефекту. Подальше збільшення вмісту води до створення між частинками 40...100 моношарів послаблює дію цих сил і процес розмелювання прискорюється. За використання ще більшого вмісту води інтенсифікації розмелювання не спостерігається. Але у цьому випадку зменшується імовірність агрегації порошків зі збільшенням часу розмелювання, як і за сухого розмелювання (рис. 2.21, 2.22).

1 2 3 4

Рис. 2.21. Явище агрегації порошків під час розмелювання в кульовому млині:

1 – вихідний матеріал; 2 – 48 год розмелу; 3 – 144 год; 4 – 240 год

Рис. 2.22. Частинки продуктів розмелювання кварцу за наявності води (1, 2)

та без неї (3, 4)

Слід зазначити, що вплив на розмелювання інших рідин (табл. 2.3) подібний до впливу води. Але якщо використовувати ацетон, бензол та спирт у кількостях, за яких у випадку води створюються коагуляційні структури, такі структури не утворюються і інтенсивність розмелювання не знижується. Це може бути зумовлено поверхневим натягом цих рідин ( вода –111, ацетон – 23, бензол – 29, спирт – 22 ерг/см² ), який для води значно вищий. Останнє свідчить на користь впливу капілярних сил на процес створення коагуляцій них структур.

Таблиця 2.3

Результати дослідження впливу різних рідин на питому поверхню (м² /г)

продуктів розмелювання кварцу