Порошок представляет собой сухое сыпучее твердое вещество , состоящее из множества очень мелких частиц , которые могут свободно растекаться при встряхивании или наклоне. Порошки представляют собой особый подкласс гранулированных материалов , хотя термины «порошок» и «гранулят» иногда используются для разделения отдельных классов материалов. В частности, порошки относятся к тем гранулированным материалам, которые имеют более мелкий размер зерен и, следовательно, имеют большую склонность к образованию комков при растекании. Гранулы относятся к более грубым гранулированным материалам, которые не склонны образовывать комки, за исключением случаев, когда они влажные.
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 примерами также являются пыль , мелкий песок и снег , вулканический пепел , верхний слой лунного реголита .
Из-за их важности для промышленности, медицины и наук о Земле порошки очень подробно изучались инженерами -химиками , инженерами-механиками , химиками , физиками , геологами и исследователями других дисциплин.
Обычно порошок можно уплотнить или разрыхлить до значительно более широкого диапазона объемной плотности , чем более крупный гранулированный материал. При нанесении разбрызгиванием порошок может быть очень легким и рыхлым. При вибрации или сжатии он может стать очень плотным и даже потерять способность течь. С другой стороны, объемная плотность крупного песка не меняется в заметных пределах.
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 превышают очень слабые силы Ван-дер-Ваальса, и поэтому крошечное сцепление между зернами не оказывает доминирующего влияния на объемное поведение материала. Только когда зерна очень мелкие и легкие, сила Ван-дер-Ваальса становится преобладающей, заставляя материал слипаться, как порошок. Размер пересечения между условиями потока и условиями прихвата можно определить путем простого экспериментирования. [1]
Многие другие характеристики порошка являются общими для всех гранулированных материалов. К ним относятся сегрегация, расслоение, застревание и расклинивание, хрупкость , потеря кинетической энергии , сдвиг трением, уплотнение и дилатансия Рейнольдса .
Порошки переносятся в атмосфере иначе, чем крупнозернистый материал. Во-первых, крошечные частицы обладают небольшой инерцией по сравнению с силой сопротивления окружающего их газа, поэтому они стремятся плыть по течению , а не двигаться по прямым линиям. По этой причине порошки могут представлять опасность при вдыхании. Более крупные частицы не могут преодолеть защитные силы организма в носу и пазухах, но попадают на слизистые оболочки и прилипают к ним. Затем организм выводит слизь из организма, чтобы удалить частицы. С другой стороны, более мелкие частицы могут пройти весь путь до легких, из которых они не могут быть изгнаны. Серьезные, а иногда и смертельные заболевания, такие как силикоз , возникают в результате работы с некоторыми порошками без адекватной защиты органов дыхания.
Кроме того, если частицы порошка достаточно малы, они могут оставаться во взвешенном состоянии в атмосфере на очень долгое время. Беспорядочное движение молекул воздуха и турбулентность создают восходящие силы, которые могут противодействовать нисходящей силе гравитации. С другой стороны, грубые гранулы настолько тяжелы, что сразу же 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 в воздух, пыль, скорее всего, будет оставаться в воздухе до тех пор, пока не встретит воду в виде дождя или водоема. Затем он прилипает и смывается вниз по течению, оседая в виде иловых отложений в тихом озере или море. Когда позже геологические изменения вновь подвергнут эти отложения воздействию атмосферы, они, возможно, уже сцементировались, превратившись в аргиллит , разновидность горной породы. Для сравнения, на Луне нет ни ветра, ни воды, поэтому ее реголит содержит пыль, но не аргиллит.
Силы сцепления между частицами имеют тенденцию сопротивляться их переносу в воздух, и движение ветра по поверхности с меньшей вероятностью потревожит низколежащую частицу пыли, чем более крупная песчинка, которая выступает выше по ветру. Механическое перемешивание, такое как движение транспортных средств, копание или прохождение стад животных, более эффективно при перемешивании порошка, чем постоянный ветер.
Аэродинамические свойства порошков часто используются для их транспортировки в промышленности. Пневматическая транспортировка — это транспортировка порошков или зерен по трубе путем продувки газа. Газовый псевдоожиженный слой представляет собой контейнер, наполненный порошком или гранулированным веществом, которое распушается путем продувания через него газа вверх. Это используется для сжигания в псевдоожиженном слое , в ходе которого газ взаимодействует с порошком химически.
Некоторые порошки могут быть более пыльными, чем другие. Склонность порошка к образованию частиц в воздухе при заданной затрате энергии называется « запыленностью ». Это важное свойство порошка, имеющее отношение к процессу аэрозолирования порошка. Он также имеет показания к воздействию на человека аэрозольных частиц и связанным с ним рискам для здоровья (при контакте с кожей или вдыхании) на рабочих местах. В исследовательских лабораториях были разработаны различные методы испытаний на запыленность, позволяющие прогнозировать поведение порошка во время аэрозолирования. [2] [3] [4] [5] Эти методы (лабораторные установки) позволяют применять широкий диапазон энергетических затрат к порошкообразным материалам, что моделирует различные сценарии реальной жизни.
Многие распространенные в промышленности порошки горючи; особенно металлы или органические материалы, такие как мука . Поскольку порошки имеют очень большую площадь поверхности, после воспламенения они могут воспламениться с взрывной силой. Такие объекты, как мукомольные заводы, могут быть уязвимы для таких взрывов без надлежащих мер по снижению уровня пыли.
Некоторые металлы становятся особенно опасными в порошкообразном виде, особенно титан .
Паста или гель могут превратиться в порошок после тщательного высыхания, но они не считаются порошком, когда они влажные, поскольку они не растекаются свободно . Вещества, подобные высушенной глине , хотя и представляют собой сухие сыпучие вещества, состоящие из очень мелких частиц, не являются порошками, если их не раздробить, поскольку они имеют слишком сильное сцепление между зернами и, следовательно, не текут свободно, как порошок. Жидкость течет иначе, чем порошок, потому что жидкость не может противостоять никакому сдвиговому напряжению и, следовательно, она не может находиться под наклоненным углом, не растекаясь (то есть, она имеет нулевой угол естественного откоса ) . жидкость, поскольку она может выдерживать напряжения сдвига и, следовательно, может иметь угол естественного откоса.
