Поверхностная активность
Термин «поверхностная активность» описывает способность поверхности взаимодействовать с окружающей средой. В технологии частиц это относится прежде всего к поведению частиц на их границах раздела. С уменьшением размера частиц доля атомов на поверхности резко возрастает, в результате чего поверхностные эффекты все больше доминируют над объемными эффектами.
В случае сухих порошков поверхностная активность определяется преимущественно физическими силами. Центральную роль играют межмолекулярные и атомные взаимодействия, в частности силы Ван-дер-Ваальса. Они всегда действуют притягивающе и обусловлены флуктуациями диполей. Их значение значительно возрастает с уменьшением радиуса частиц.
Силу Ван-дер-Ваальса между двумя шарообразными частицами можно упрощенно описать следующим образом:
FvdW ≈ (AH · R) / (6 · D²)
- AH — постоянная Хамакера
- R — радиус частицы
- D — расстояние между поверхностями
С уменьшением радиуса соотношение силы сцепления к силе тяжести увеличивается. Поэтому мелкие порошки склонны к когезии. Они плохо текут, образуют агломераты и прилипают к поверхностям оборудования. Помимо сил Ван-дер-Ваальса действуют электростатические силы. Они возникают в результате разделения зарядов при смешивании, трении или пневматической транспортировке. Особенно высокие поверхностные заряды могут возникать в случае сухих, изолирующих порошков. Эти силы могут действовать притягивающе или отталкивающе. Они влияют на расслоение, риск взрыва пыли и прилипание.
Химическая поверхностная активность играет роль в электрохимии и в случае реактивных твердых веществ. Реактивные функциональные группы на поверхности частиц могут вступать в реакцию с газами или другими твердыми веществами. Примерами являются окисление, гидролиз или адсорбция влаги и молекул газа. Такие эффекты изменяют поверхностную энергию и, следовательно, текучесть.
Оптическая поверхностная активность также важна для порошков. Она описывает взаимодействие с электромагнитным излучением. Свойства излучения и поглощения зависят от шероховатости поверхности, цвета и химического состава. Это влияет на поглощение тепла, инфракрасное излучение и поведение при нагревании в процессах сушки или реакции.
В случае влажных порошков спектр поверхностных сил расширяется. В дополнение к сухим взаимодействиям возникают капиллярные силы. Между частицами образуются жидкие мостики. Эти мостики создают сильные силы притяжения и способствуют агломерации.
Капиллярную силу можно упрощенно описать как:
Fkap ≈ 2 · π · R · γL · cos(θ)
- R — радиус частицы
- γL — поверхностное натяжение жидкости
- θ — угол смачивания.
Поэтому влажные порошки часто демонстрируют сильное когезионное поведение. Поверхностная активность резко возрастает. Типичными последствиями являются агломерация, образование комков и прилипание к стенкам. В технологическом процессе этот эффект целенаправленно используется, например, при грануляции.
В случае влажных порошков и суспензий поведение определяется граничными поверхностями между твердым веществом и жидкостью. Здесь доминирующую роль играют электростатические взаимодействия. Поверхности частиц часто несут заряды. Вокруг каждой частицы образуется электрический двойной слой.
Взаимодействие притягивающих сил Ван-дер-Ваальса и отталкивающих электростатических сил описывается теорией DLVO. Результирующий потенциал взаимодействия определяет стабильность или агломерацию суспензии.
Электростатическое отталкивание зависит от дзета-потенциала. Высокие значения дзета-потенциала приводят к стабильным суспензиям. Низкие значения способствуют флокуляции и седиментации.
Потенциал зета трудно измерить. Поэтому на практике чаще всего используются обратные формулы с помощью уравнения Генри.
Ζ = η ⋅ Ue / (2 ⋅ ε ⋅ f(κa))
При этом:
- Ue — электрофоретическая подвижность частицы.
- η — динамическая вязкость жидкости.
- ε — диэлектрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость) среды.
- f(κa) — функция Генри, которая зависит от размера частиц и длины Дебая.