Слеживаемость порошкообразных материалов и методы ее предотвращения

18.06.2015

При рассмотрении закономерностей перехода дисперсных структур с обратимо разрушающимися коагуляционными и атомными контактами в структуры с фазовыми контактами представляет интерес изучение структур, образованных в результате выделения новой фазы из пересыщенных растворов при удалении жидкой среды с последующим образованием кристаллов, их ростом и срастанием. Типичным примером такого рода процессов являются процессы слеживания большинства высокодисперсных сыпучих материалов.
В большинстве случаев механизм слеживания таких порошков основан на последовательном переходе структур с атомными контактами в сыпучих порошках через структуры с коагуляционными контактами при их увлажнении в структуры с фазовыми контактами при высыхании увлажненных порошков или в результате выделения новой малорастворимой гидратной фазы из пересыщенных растворов, скапливающихся в виде капиллярных менисков вблизи контактов между частицами в процессе их хранения.
Ho наряду с этим механизмом слеживания и, следовательно, образования структур с фазовыми контактами возможен и принципиально иной механизм слеживания. Он характерен для порошкообразных материалов с относительно низким модулем упругости частиц с хорошо выраженной пластичностью. Под действием собственной массы в достаточно толстом слое или в результате воздействия давления на слой порошка частицы, пластически деформируясь в местах контактов, образуют развитые по площади фазовые контакты, такие прочные, что разрушение таких структур может происходить и вне этих контактов. Именно так слеживается мука.
Независимо от того, по какому механизму образуются структуры с прочными фазовыми контактами при слеживании порошков, следствием этого процесса является утрата порошками сыпучести и резкое возрастание прочности.
Именно сыпучесть и прочность — наиболее важные структурно-механические характеристики, определяемые типом контактов (между частицами), которые в процессе слеживаемости могут перерастать, из непосредственных точечных в истинные фазовые контакты.
Поэтому для изучения процесса слеживаемости наиболее целесообразна методика, основанная на изучении кинетики изменения структурно-механических свойств, прежде всего прочности структуры порошков Рm(ε) в зависимости от влажности и длительности хранения. Для этой цели был использован автоматизированный тиксотрометр сдвига, который благодаря жесткому тензодинамометру позволяет регистрировать практически мгновенные акты локального и полного разрушения структуры. На основании полученнвх диаграмм можно определить величину предельной сдвиговой деформации, упругие характеристики и работу разрушения системы.
Процесс слеживания, по существу, — процесс образования, прочных структур, характерных для дисперсных материалов. Ho проблема физико-химического управления процессами структурообразования в таких системах связана с необходимостью решения прямо противоположной задачи и состоит в том, чтобы вообще исключить возможность образования прочных структур с фазовыми контактами.
Естественный и общепринятый метод предотвращения слеживаемости гигроскопичных порошков состоит в уменьшении водопоглощения путем гидрофобизации поверхности частиц модифицирующими добавками ПАВ. Преимущество этого способа перед другими состоит в том, что используется весьма малое количество добавки, необходимой Для обработки основного вещества.
Для снижения гигроскопичности поверхность ряда модельных порошков покрывали монослоем ПАВ. Как и следовало ожидать, добавка ПАВ в несколько раз снижает влагопоглощение. А так как степень проявления слеживаемости; как известно, находится в прямой зависимости от количества сорбированной влаги, то следовало полагать, что уменьшение количества сорбированной влаги приведет к уменьшению слеживаемости.
Однако проведенные исследования выявили неожиданный факт: прочность модельных порошков, покрытых ПАВ, возросла более чем на два порядка по сравнению с контрольным образцом без ПАВ.
Этот факт может быть объяснен следующими причинами. Поверхностно-активное вещество, ослабляя прочность точечных (атомных) контактов, способствует 'образованию однородной, более плотной без агрегатов структуры с большим числом контактов в единице объема, о чем, в частности, свидетельствует увеличение степени уплотнения свободно засыпанного порошка примерно на 25%.
В последнем случае возможное ослабление прочности фазовых контактов за счет экранирующего действия ПАВ полностью компенсируется увеличением числа контактов в единице объема структуры и сопровождается существенным ее упрочнением. Наоборот, предотвращение образования таких контактов, т. е. предотвращение слеживаемости гигроскопичных порошков, возможно исходя из следующих соображений.
Известно, что необходимым условием срастания кристаллов является их сближение до критического расстояния (ближняя коагуляция), примерно равного 1 нм. Отсюда, естественно, вытекает, что для предотвращения ближней коагуляции необходимо создать препятствие для сближения кристаллов на расстояние, меньше критического. Этого можно достичь, например, путем введения твердой нерастворимой добавки другого вещества, равномерно распределенного в массе основного вещества и создающего стерические препятствия для срастания кристаллов.
В работе было доказано, что если размер частиц основного вещества существенно превышает размеры частиц твердой добавки, то можно обеспечить значительное понижение прочности структуры этого порошка, модифицированного ПАВ более чем в 5000 раз.
При сочетании обрабатываемых порошков с нерастворимой добавкой другого вещества в условиях воздействия вибрационного поля сыпучесть системы сохраняется при одновременном повышении плотности упаковки более чем в 2 раза.
Сохранение сыпучести порошков при существенном увеличении плотности их укладки представляет особый интерес для решения таких важных прикладных задач, как хранение и транспортирование различных сыпучих материалов, так как позволяет значительно (до нескольких раз) повысить степень использования емкостей для их хранения и транспортирования.
Вместе с тем совместное введение указанных и подобных им добавок в комплексе позволяет в значительной степени снизить слеживаемость порошков, т. е. образовать прочные структуры, не только в результате кристаллизационного структурообразования, но и вследствие пластической деформации частиц под действием статического давления на слой порошка. Такого рода явления характерны для многих пищевых продуктов.
Таким образом, сочетание традиционных методов модифицирования дисперсных фаз путем образования на их поверхности адсорбционных слоев ПАВ с введением высокодисперсной твёрдой добавки (тоже модифицированной) позволяет регулировать структурно-механические свойства склонных к слеживаемости сыпучих дисперсных систем, предотвращая возможность возникновения структур с прочными фазовыми контактами. В ряде случаев введение высокодисперсной модифицированной добавки позволяет отказаться от модифицирования основной массы порошка. Примером может служить высокодисперсная сахарная пудра, мука.
Подведем некоторые итоги.
Исследования процессов структурообразования, а также закономерностей разрушения двухфазных сыпучих систем (высокодисперсных порошков) позволило определить оптимальные параметры создания псевдоожиженного (виброкипящего) слоя с переходом в весьма перспективную, но ранее «запретную» область. Речь идет о технологии виброкипящего слоя в высокодисперсных порошках с сохранением большой концентрации твердой фазы в единице объема и одновременным поддержанием предельного разрушения структуры. Эти условия, как отмечалось выше, позволяют резко повысить интенсивность процессов сушки, смешивания, сорбции и десорбции и аналогичных процессов, скорость которых пропорциональна активной межфазной поверхности. Методы создания виброкипящего слоя в высокодисперсных порошках позволяют существенным образом расширить эту быстро развивающуюся область технологии пищевых производств и реализовать гетерогенные процессы в дисперсных системах с таким малым размером частиц дисперсных фаз, для которых переход в эту область обычными традиционными методами создания кипящего слоя с помощью восходящих потоков жидкости или газа был невозможным.
Вместе с тем существенное повышение плотности упаковки частиц порошков с сохранением их текучести позволяет значительно повысить степень использования емкостей для хранения и транспортирования высокодисперсных сыпучих материалов.
Из всего многообразия и сложной совокупности факторов, определяющих условия и закономерности формирования структур типа (Т—Г) с различными видами фазовых контактов, наибольшее внимание было уделено установлению взаимосвязи между структурно-механическими свойствами, прежде всего степенью разрушения структуры дисперсных систем на начальных стадиях структурообразования и интенсивностью гетерогенных процессов на примере процесса смешивания, наиболее распространенного гидромеханического процесса.

Слеживаемость порошкообразных материалов и методы ее предотвращения

Это объясняется тем, что физико-химическое управление процессами структурообразования в дисперсных системах в сочетании с комплексом воздействий лежит в основе получения из пищевых дисперсных систем пищевых продуктов с заданной структурой. В результате направленного регулирования структурно-механических свойств дисперсных систем с твердыми фазами стало возможным устранение главного препятствия на пути реализации высокоинтенсивных процессов и получения высококачественных по совокупности структурно-механических характеристик и потребительских свойств дисперсных продуктов: осуществляется переход в область весьма больших концентраций высокодисперсной твердой фазы в дисперсионной среде при одновременном достижении высокой однородности структуры. Схематически эту взаимосвязь можно проиллюстрировать (рис. 43).
Таким образом, на примере двухфазных сыпучих систем (высокодисперсных порошков) была доказана возможность управления структурно-механическими свойствами дисперсных систем.
Это стало возможным в результате ослабления прочности контактов между частицами путем объемного воздействия вибрации, вследствие чего достигается и поддерживается предельное разрушение структуры; осуществляются оптимальные условия проведения технологических процессов, соответствующие максимуму активной поверхности раздела, минимуму реологического сопротивления системы, изменению объема или деформации и высокой интенсивности конвективного массообмена твердых дисперсных фаз между собой и с дисперсионной газовой средой.
Таким образом становится возможным управлять свойствами высокодисперсных порошков во всем диапазоне их изменения при вибрации и на этой основе осуществлять высокоинтенсивный массообменный технологический процесс — виброкипение в наиболее перспективной его области: в двухфазных гетерогенных системах с сильно развитой активной межфазной поверхностью. Ранее это было невозможно из-за возникновения пространственных структур.
Учитывая, что в пищевой промышленности в различных технологических процессах (в том числе и при получении ряда вязко-пластичных систем) высокодисперсные порошки, как мы отмечали, находят широкое применение, практическое использование рассмотренных выше принципов управления свойствами порошков весьма целесообразно.