Порошок — это сухое, сыпучее вещество, состоящее из множества очень мелких частиц , которые могут свободно течь при встряхивании или наклоне. Порошки — это особый подкласс гранулированных материалов , хотя термины «порошок» и «гранулированный» иногда используются для различения отдельных классов материалов. В частности, порошки относятся к тем гранулированным материалам, которые имеют более мелкие размеры зерен и, следовательно, имеют большую тенденцию к образованию комков при течении. Гранулированные материалы относятся к более крупным гранулированным материалам, которые не склонны образовывать комки, за исключением случаев, когда они влажные. [ необходима цитата ]
Многие промышленные товары выпускаются в виде порошка, например , мука , сахар , молотый кофе , сухое молоко , тонер для копировальных аппаратов , порох , косметические порошки и некоторые фармацевтические препараты . В природе пыль , мелкий песок и снег , вулканический пепел и верхний слой лунного реголита также являются примерами.
Ввиду их важности для промышленности, медицины и наук о Земле порошки были подробно изучены инженерами-химиками , инженерами-механиками , химиками , физиками , геологами и исследователями других дисциплин.
Обычно порошок можно уплотнить или разрыхлить в гораздо большем диапазоне объемной плотности, чем более крупный гранулированный материал. При нанесении путем посыпки порошок может быть очень легким и пушистым. При вибрации или сжатии он может стать очень плотным и даже потерять способность течь. С другой стороны, объемная плотность крупного песка не меняется в заметном диапазоне.
Комкование порошка возникает из-за молекулярной силы Ван-дер-Ваальса , которая заставляет отдельные зерна прилипать друг к другу. Эта сила присутствует не только в порошках, но и в песке и гравии. Однако в таких крупнозернистых материалах вес и инерция отдельных зерен намного больше, чем очень слабые силы Ван-дер-Ваальса, и поэтому крошечное сцепление между зернами не оказывает доминирующего влияния на объемное поведение материала. Только когда зерна очень малы и легки, сила Ван-дер-Ваальса становится преобладающей, заставляя материал комковаться, как порошок. Перекрестный размер между условиями течения и условиями прилипания можно определить простым экспериментом. [1]
Многие другие виды поведения порошка являются общими для всех гранулированных материалов. К ним относятся сегрегация, расслоение, застревание и расклинивание, хрупкость , потеря кинетической энергии , фрикционный сдвиг, уплотнение и дилатансия Рейнольдса .
Порошки переносятся в атмосфере иначе, чем крупнозернистый материал. Во-первых, мелкие частицы имеют малую инерцию по сравнению с силой сопротивления окружающего их газа, поэтому они, как правило, движутся по течению, а не движутся по прямой. По этой причине порошки могут представлять опасность при вдыхании. Более крупные частицы не могут преодолеть защитные барьеры организма в носу и пазухах, но ударяются и прилипают к слизистым оболочкам. Затем организм выводит слизь из организма, чтобы вытеснить частицы. С другой стороны, более мелкие частицы могут перемещаться вплоть до легких, из которых их невозможно вывести. Серьезные, а иногда и смертельные заболевания, такие как силикоз, являются результатом работы с определенными порошками без адекватной защиты органов дыхания.
Кроме того, если частицы порошка достаточно малы, они могут оставаться взвешенными в атмосфере в течение очень долгого времени. Хаотичное движение молекул воздуха и турбулентность обеспечивают восходящие силы, которые могут противодействовать нисходящей силе гравитации. Крупные гранулы, с другой стороны, настолько тяжелы, что они немедленно падают обратно на землю. Будучи потревоженной, пыль может образовывать огромные пылевые бури , которые пересекают континенты и океаны, прежде чем оседать обратно на поверхность. Это объясняет, почему в естественной среде относительно мало опасной пыли. Поднявшись наверх, пыль, скорее всего, останется наверху, пока не встретится с водой в виде дождя или водоема. Затем она прилипает и смывается вниз по течению, чтобы осесть в виде грязевых отложений в спокойном озере или море. Когда геологические изменения позже снова выставляют эти отложения в атмосферу, они, возможно, уже сцементировались, превратившись в аргиллит , тип горной породы. Для сравнения, на Луне нет ни ветра, ни воды, поэтому ее реголит содержит пыль, но не аргиллит.
Силы сцепления между частицами, как правило, препятствуют их попаданию в воздух, а движение ветра по поверхности с меньшей вероятностью потревожит низко расположенную частицу пыли, чем более крупную песчинку, которая выступает выше в сторону ветра. Механическое перемешивание, такое как движение транспортных средств, рытье или прохождение стад животных, более эффективно для перемешивания порошка, чем постоянный ветер.
Аэродинамические свойства порошков часто используются для их транспортировки в промышленных приложениях. Пневмотранспорт — это транспортировка порошков или зерен по трубе с помощью продувки газом. Газовый псевдоожиженный слой — это контейнер, заполненный порошком или гранулированным веществом, которое взбивается путем продувки газа вверх через него. Это используется для сжигания в псевдоожиженном слое , химически реагируя газом с порошком.
Некоторые порошки могут быть более пылеобразными, чем другие. Тенденция порошка генерировать частицы в воздухе при заданном подводе энергии называется « пыльностью ». Это важное свойство порошка, которое имеет отношение к аэрозолизации порошка. Оно также имеет значение для воздействия аэрозольных частиц на человека и связанных с этим рисков для здоровья (через контакт с кожей или вдыхание) на рабочих местах.
Многие распространенные порошки, производимые в промышленности, являются горючими; особенно металлы или органические материалы, такие как мука . Поскольку порошки имеют очень большую площадь поверхности, они могут воспламеняться с взрывной силой после воспламенения. Такие объекты, как мукомольные заводы, могут быть уязвимы для таких взрывов без надлежащих мер по снижению уровня пыли.
Некоторые металлы становятся особенно опасными в порошкообразной форме, особенно титан .
Паста или гель могут стать порошком после тщательного высушивания, но не считаются порошком, когда они влажные, потому что они не текут свободно. Такие вещества, как высушенная глина , хотя и являются сухими сыпучими твердыми веществами, состоящими из очень мелких частиц, не являются порошками, если их не измельчить, потому что у них слишком много сцепления между зернами, и поэтому они не текут свободно, как порошок. Жидкость течет иначе, чем порошок, потому что жидкость не может противостоять никакому напряжению сдвига и, следовательно, она не может находиться под наклонным углом, не текучая (то есть, у нее нулевой угол естественного откоса . ) Порошок, с другой стороны, является твердым веществом, а не жидкостью, потому что он может выдерживать напряжения сдвига и, следовательно, может демонстрировать угол естественного откоса. [ необходима цитата ]
