Файл: Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация.pdf

Из сказанного следует, что сила адгезии зависит от кривизны контактирующих поверхностей. Влияние свойств поверхностей на адгезию учитывается свобод­ ной энергией До). Действие капиллярных сил и заря­ дов частиц формулой (7) не учитывается.

По Н. А. Фуксу і[14], под г необходимо принимать не радиус частицы, а радиус выступов, по которым происходит фактический контакт частицы с поверх­ ностью. Однако сложность установления площади контакта и отсутствие совершенных методов опреде­ ления поверхностных натяжений твердых тел не поз­ воляют пользоваться уравнениями (5) и (7) при рас­ чете силы адгезии реальных объектов.

В некоторых случаях ,(22] отдельные составляющие адгезионных сил (например, капиллярные и электри­ ческие силы) поддаются расчету, в целом же опре­ деление сил адгезии осуществляется только экспери­ ментально.

В л и я н и е э л е к т р и ч е с к и х с и л на а д г е- з и ю ч а с т и ц. Электрическая теория адгезии, пред­ ложенная Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой [12,28], в дальнейшем развита их школой (В. П. Смилга, И. Н. Алейникова и другие) [29—32]. Свою теорию они основывают на явлениях контактной электриза­ ции, происходящей при тесном контакте двух тел: ди­ электрик— диэлектрик или металл— диэлектрик.

Основные положения этой теории заключаются в том, что система адгезив — подложка представляет собой конденсатор, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных ве­ ществ,— обкладки конденсатора.

При отделении адгезива от подложки или, что то же, раздвижении обкладок конденсатора возникает разность потенциалов, которая с увеличением зазора между раздвигаемыми поверхностями возрастает до определенного предела, характеризующегося наступ­ лением разряда. Работу адгезии W, определяемую при отрыве пленки от металла, в этом случае прирав­ нивают к энергии конденсатора и вычисляют по фор­ муле

(8)

где е — диэлектрическая проницаемость среды.

Если отрыв (разъединение) обкладок конденсато­ ра происходит медленно, то заряды стекают благода­ ря электропроводности поверхностных слоев и рабо­ та адгезии, затрачиваемая на преодоление сил моле­ кулярного сцепления, сравнительно мала. Если же отрыв происходит быстро, то начинают проявляться электростатические силы. При этом заряды не успе­ вают стечь и их высокая начальная плотность сохра­ няется до наступления газового разряда. Это обеспе­ чивает большую работу адгезии, поскольку действие сил притяжения разноименных электрических зарядов преодолевается на сравнительно больших расстоя­ ниях.

И. Н. Алейникова и другие исследователи [32] провели исследования по оценке роли двойного элек­ трического слоя и разработали специальной пневма­ тический адгезиометр для одновременного измерения силы прилипания и зарядов частиц после отрыва (для

для системы поливинилхлорид — сталь показана иа рис. 1.

.Установлено, что сила прилипания и заряд после отрыва возрастают с увеличением диаметра частиц. Экспериментально доказано [32], что адгезия опреде-

18

лябтси в основном электростатическими силами и что величина электрических сил адгезии значительно больше молекулярных сил.

Поверхностная плотность заряда crs двойного элек­ трического слоя частицы играет существенную роль при определении электрической составляющей силы адгезии. Авторы экспериментально установили, что поверхностная плотность зарядов частиц диэлектри­ ков размером от 0,5 до 100 мкм не зависит от их диа­ метров и составляет ~ ІО3 CGSE .

Величина as определяется состоянием поверхности частиц и подложки. Измерить ее очень сложно, так как нарушение адгезионного контакта всегда сопро­ вождается нейтрализацией зарядов, возникающих на разделяемых поверхностях. Механизм этой нейтрали­ зации зависит от скорости отрыва. При увеличении

ряда, не зависящая в дальнейшем от скорости от­ рыва.

Важными для понимания сущности электрической теории адгезии являются вопросы, касающиеся при­ чин образования двойного электрического слоя на границе раздела твердых тел и механизма электри­ зации при контакте этих тел, особенно при разделе­ нии таких материалов как диэлектрик (или полупро­ водник) — металл, обычно встречающихся при обога­ щении полезных ископаемых.

Явления контактной электризации при трибоадге­ зионной сепарации проявляются в процессе образова­ ния зарядов сепарируемых порошков вследствие раз­ деления двойного электрического слоя при отрыве ча­ стиц от заземленной металлической поверхности. Сила адгезии порошков к металлической поверхности может быть приравнена к силе отрыва. Зависит она от большого числа различных факторов и свойств контактирующих тел.

М е х а и и з м э л е к т р и з а ц и и. Механизм элек­ тризации обусловливается комплексом физических и химических процессов, приводящих к заряжению тел вследствие разделения в пространстве зарядов про­ тивоположных знаков или к накоплению зарядов од­ ного знака. Электрические явления особенно имеют

'место при сухих материалах и большой скорости раз­ деления.

Как уже указывалось, важным для понимания сущности электрической теории адгезии является во­ прос о причинах образования двойных электрических 'слоев. Теория двойного электрического слоя впервые развита X. Гельмгольцем и завершена и уточнена позднее в работах В. Лебель, Г. И. Скаиави, Л. Б. Ле­ ба, Н. А. Фрумкина [33—35]. Явления контакта рас­ сматривались как образование двойного электриче­ ского слоя толщиной в несколько молекулярных рас­ стояний, с определенной разностью потенциалов. Так как при контакте двух тел неизбежен переход ионов или электронов с одной поверхности на другую, то в месте контакта образуется двойной электрический ■слой. При нарушении контакта обкладки двойного электрического слоя разъединяются и каждая из них

•оказывается заряженной электричеством противопо­ ложного знака. Рассматривая различные случаи об­ разования двойных электрических слоев при сопри­ косновении двух поверхностей, Н. К. Адам [26] при­ шел к выводу, что одним из возможных механизмов их образования является поверхностная ориентация нейтральных молекул, содержащих электрические ди­ поли. При этом слой ориентировочных диполей на поверхности и представляет собой двойной электриче­ ский слой.

Г. И. Сканави [34] показал, что полярные молеку­ лы диэлектрика ориентируются под действием элек­ трического поля (поляризуются), что эквивалентно образованию некоторого заряда на его поверхности. В этом случае заряд накапливается на поверхности раздела слоев диэлектрика и в отличие от металлов распределяется по всей его толщине. Накопление объ­ емного заряда вызывает медленное спадение тока во времени (часы и сутки).

Позднее Я. И. Френкель :[37] предложил теорию образования статического электричества при контак­ те, исходя из современных представлений о строении атома. Эта теория двойного слоя, используемая в на­ стоящее время при рассмотрении явлений электрон­ ной эмиссии, наглядно объясняет электризацию не только разнородных, но и однородных тел.

20

По Френкелю, при тесном соприкосновении по­ верхностей двух тел (при их трении) на поверхности контакта образуется двойной слой зарядов, величина которых определяется контактной разностью потен­ циалов между поверхностями. Заряд одного знака возникает при этом на одной поверхности, а проти­ воположного знака — на другой. Если эти поверхно­ сти разделить, то двойной слой разрывается и заряды противоположных знаков остаются на поверхности обоих тел.

Электричество трения Френкель связывает также с явлениями местного нагрева соприкасающихся по­ верхностей за счет шероховатости, в результате чего происходит местное увеличение числа свободных электронов (и положительных «дырок») в поверх­ ностной пленке.

Описание электронных процессов в кристаллах приводится в квантовой механике (зонная теория твердого тела) [38, 39].

Согласно этой теории, электроны в свободных ато­ мах имеют вполне определенные уровни энергии, от­ деленные друг от друга соответствующими запрет­ ными зонами. Благодаря тепловой энергии электроны занимают не только самые глубокие, но и более вы­ сокие энергетические уровни. Верхний уровень энер­ гии, заполненный электронами (уровень Ферми), ха­ рактеризуется для каждого проводника определен­ ной величиной энергии.

Чтобы оторвать от атома валентный электрон, ему надо сообщить энергию, необходимую для преодоле­ ния потенциального барьера, обусловленного силами кулоновского притяжения. Величина этого барьера определяется свойствами кристаллической решетки и представляет собой работу выхода, измеряемую в электрон-вольтах. Для различных полупроводников она составляет от 1 до 6 эв. При высокой темпера­ туре часть электронов обладает энергией, достаточной для преодоления этого барьера и выхода в вакуум. Поток электронов, переходящих в вакуум с 1 см2 по­ верхности за 1 с, определяется работой выхода и тем­ пературой [40],

Ф

Чем выше температура и меньше работа выхода, тем больше поток электронов. Другими словами, при определенной температуре количество электронов, способных выйти за пределы тела, больше у того те­ ла, работа выхода которого меньше. Если два таких тела находятся в контакте друг с другом, они нач­ нут обмениваться электронами. При этом большее число электронов перейдет на то тело, работа выхода которого больше. Через некоторое время процесс до­ стигнет некоторого равновесия, при котором общая энергия системы будет минимальной, а между кон­ тактирующими поверхностями установится опреде­ ленная разность потенциалов:

Следует отметить, что переход электронов из од­ ного тела в другое при их контакте облегчается по сравнению с выходом в вакуум, так как высота прео­ долеваемого барьера уменьшается на величину рабо­ ты выхода второго тела, и ширина потенциального барьера вследствие близкого касания будет очень мала [41].

Уравнение (9) определяет количественно процесс перехода электронов с поверхности твердого тела в вакуум (это так называемый процесс термоэлектрон­ ной эмиссии).

В практике сепарации минеральных смесей имеют дело с образованием зарядов на контактирующих ча­ стицах в области невысоких температур при атмос­ ферном давлении. Сами минеральные зерна являются довольно прочными полупроводниками или диэлект­ риками. В этом случае переход электронов с одного тела на другое существенно отличается от процесса термоэлектронной эмиссии в вакууме или от процес­ са образования электрического тока при контакте различных металлов, либо металла и полупроводника при довольно высоких температурах и большой чи­ стоте самих веществ и их поверхностей.

Однако несомненно, что в основе всех этих процес­ сов лежит одно и то же явление перехода носителей тока с одной поверхности на другую, обусловленное

22