ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.07.2024
Просмотров: 137
Скачиваний: 0
возникновением определенной разности потенциалов при их контакте (контактной разности потенциалов).
Действительно, рассмотренные выше процессы происходят в любом теле и при некоторой темпера туре в зоне проводимости оказывается в наличии оп ределенное количество свободных электронов, обла дающих энергией, достаточной для оставления по верхности тела и выхода за его пределы на некото рое, хотя и очень малое, расстояние. На такие элек троны будет действовать электрическая сила притя жения наружного слоя положительно заряженных ионов тела..
Таким образом, поверхность тела оказывается как бы покрытой тонким слоем отрицательно заряженной жидкости. Образуется конденсатор, положительным полюсом которого является поверхностный слой по ложительно заряженных ионов тела, а отрицатель ным — покрывающий его слой электронов.
Напряженность поля этого конденсатора создает силу, удерживающую электроны зоны проводимости, т. е. она является тем потенциальным барьером, ко торый должны преодолеть электроны для оставления тела. При контакте тел переход носителей тока с од ного тела на другое по сравнению с переходом в ва куум облегчен на величину работы выхода другого тела, и ширина потенциального барьера значительно сокращается. Во всех случаях переход зарядов про исходит до тех пор, пока не будет достигнуто равно весие, что соответствует возникновению контактной разности потенциалов.
В работе [35] исследованы влияние давления и влажности воздуха на заряд. Указывается, что про цесс электризации протекает, как правило, вне связи с давлением. ,
Знаки зарядов каждого из пары электризующихся материалов хорошо воспроизводятся в опытах раз ных авторов, выполненных как в лабораторных, так и в производственных условиях [4, 35, 42—45]. Эмпи рические данные о знаках зарядов часто представ ляются в виде трибоэлектрических рядов, в которых каждый из вышерасположенных материалов заряжа ется положительно при контакте с любым располо женным ниже материалом.
23
Как видим, вопросы механизма возникновении двойного электрического слоя и явлений электриза ции при контакте твердых тел являются очень слож ными и до сих пор еще полностью не изученными. Отсутствует единая теория электризации, позволяю щих определить величину заряда частиц, а следова тельно, и рассчитать силы адгезии.
Рис. 2. Энергетические уровни:
а — схема: |
б — контакт с металлом; в — контакт |
с окрашенным |
||
металлом: |
/ — зона |
проводимости: |
2 — донорный уровень; |
|
3 — уровень |
Ферми; |
-/ — акцепторный |
уровень; |
5 — валентная |
|
|
зона |
|
|
Э л е к т р и ч е с к а я с о с т а в л я ю щ а я с и л ы а д г е з и и, о б у с л о в л е н н а я д в о й н ы м э л е к- т р и ч е с к и м слоем. При соприкосновении частиц с подложкой электрические заряды, находящиеся на поверхности частиц, притягивают равные по величине и обратные по знаку заряды. В зоне контакта проис ходит выравнивание уровней Ферми и искривление зоны проводимости и валентной зоны (рис. 2) с одно временным появлением на границе контактирующих тел контактной разности потенциалов фк.
А. Д. Зимон [22] указывает, что частицы всегда заряжены еще до контакта с подложкой (т. е. части ца всегда несет на себе определенный заряд, так как до этого находилась в контакте с какими-то предме тами). А. Д. Зимон и другие [42] установили, что величина заряда зависит от электропроводности кон тактирующих тел и может быть в некоторых случаях весьма малой или равной нулю, например при отрыве пылевидных частиц от медной подложки. В этом случае электрическая компонента силы адгезии, об-
24
условленная двойным электрическим слоем, не будет влиять на величину силы адгезии. Результаты влия ния на адгезию электрических сил приведены в ра ботах [42—46]. Установлено, что с уменьшением раз меров частиц увеличиваются электрические заряды, а следовательно, и электрическая компонента сил ад гезии.
Электрическая компонента сил адгезии слоя по рошка, измеренная при отрыве частиц от заземленной металлической поверхности, меньше, чем при окра шенной поверхности, и больше, чем при подаче на пряжения на металлическую поверхность.
Уменьшая или увеличивая заряды частиц порош ка можно изменять поверхностную плотность зарядов и тем самым менять величину электрической состав ляющей силы адгезии. При этом, сообщая поверх ности частиц донорные или акцепторные свойства, можно модифицировать поверхность, придавая ей те или иные свойства. Можно также изменять контакт ную разность потенциалов усилением металлических или металлоидных свойств (донорных или акцептор ных) .
Большую роль в формировании электрической со ставляющей силы адгезии играют кулоновские силы, возникающие под действием зарядов частиц.
К у л о н о в с к и е силы. Электрическая состав ляющая Силы адгезии заряженных частиц к незаря женной поверхности определяется кулоновским взаи модействием между заряженной частицей и индуци рованным ею на поверхности зарядом, равным по величине, но противоположным по знаку. Возникают так называемые силы зеркального отображения. Си ла адгезии за счет зеркального взаимодействия заря дов частиц и индуцированных зарядов подложки Fa определяется уравнением
F3= -^г . Дин.
пли
дин. (Ю)
Чтобы рассчитать силы зеркального отображения, необходимо знать величину зарядов частиц порошка,
25
взвешенных в воздухе и искусственно заряженных в поле высокого напряжения.
В электрофильтрах при коронном разряде заряд одной кварцевой частицы диаметром 115 мкм увели чивается до 0,32-ІО-12 к. В этом случае сила зеркаль ного отображения составляет около 4,6 дин, т. е. она значительно превышает обычные величины сил адге зии [27]. Увеличение силы адгезии за счет кулоновских сил наблюдается тогда, когда частицы порошка пред варительно заряжены (например, в электрофильтрах, электросепараторах). В этом случае электрические силы, обусловленные зарядом частиц, оказывают решающее влияние на адгезионное взаимодействие.
Трибозаряд частицы на заземленной поверхности не постоянен. Он уменьшается в зависимости от вре мени нахождения частицы на такой поверхности, что приводит к снижению величины кулоновского взаи модействия. После контакта с поверхностью частицы разряжаются через сопротивление, являющееся сум мой собственного и контактного сопротивлений части цы. Чем больше сопротивление, тем медленней будет стекать заряд. При попадании на заземленную по верхность проводящие частицы быстро (доли секун ды) разряжаются, т. е. если сопротивление R— й), то заряд q^O . Силы зеркального отображения, а сле довательно, и сила адгезии будут стремиться к нулю. Заряд сохраняют только частицы, являющиеся изоля торами или полупроводниками.
Экспериментально показано [30, 31], что все мате риалы, имеющие переходное сопротивление меньше ІО3 ом, не сохраняют своего заряда (поверхностное сопротивление определяется не только внутренним сопротивлением вещества, но и в большей степени поверхностным емкостным сопротивлением).
Из сказанного можно сделать вывод, что силы зеркального отображения при отсутствии подзарядки частиц будут максимальными в первый момент кон такта их с заземленной поверхностью. В процессе трибоадгезионной сепарации заряд частиц сепарируе мых порошков, попадающих на заземленную поверх ность барабана, уменьшается медленно, так как по следняя всегда покрыта тонким слоем сепарируемого материала [47]. Если поверхность непроводящая или
26
не заземленная, а также при снижении утечек заря дов (например, за счет ионизации воздуха), кулонов ская сила может продолжительное время обусловли вать адгезию частиц.
Для частиц, обладающих |
изоляционными и полу |
||
проводниковыми свойствами, |
время действия сил зер |
||
кального |
отображения зависит от состояния |
среды |
|
и наличия |
на поверхности соприкасающихся |
тел ад |
сорбционных слоев.
3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СИЛУ АДГЕЗИИ
Сложность расчета силы адгезии обусловливается большим разнообразием явлений, воспринимаемых как прилипание, различием сил, вызывающих эти явления, а также большим числом факторов, ослож няющих их определение. Если между двумя тверды ми или жидкими телами возникнет контакт, то для их разделения необходимо преодолеть сопротивление сил адгезии, зависящее от характера этих тел, состоя ния, размеров и формы их поверхности, условий кон такта, природы внешней среды, механических и теп ловых напряжений и др.
Р а з м е р ы ч а с т и ц при сепарации тонкоизмельченных полезных ископаемых и материалов играют существенную роль, так как при их уменьше нии возрастает удельная поверхность частиц, а сле
довательно, и роль |
электрических и молекулярных сил. |
Б. В. Дерягин |
и А. Д. Зимон [27] при изучении |
прилипания частиц порошков к плоским поверхно стям с целью выяснения влияния размера частиц на величину адгезии применили вибрационный метод определения отрывающей силы. Зная частоту ф и амплитуду колебания g подложки они рассчитали максимальное ускорение /, получаемое частицей. От рывающая сила при j^>g будет
Еотр |
iftj> |
0 0 |
где m — масса частицы; |
|
|
/ = |
4я2ф£. |
|
Применение звуковых и ультразвуковых колеба ний позволило им получать большие диапазоны зна
'27
чений отрывающей силы. При этом обнаружен рост сил адгезии в воздушной среде при уменьшении раз меров стеклянных шарообразных частиц крупностью менее 100 мкм. Подобная закономерность была уста новлена [35] при исследовании адгезии к стеклу стек лянных, песчаных и угольных частиц (рис. 3). Так, для частиц сахара, мела, сажи, дерева и муки диа
|
метром 10 мкм величи |
|||||
|
на |
заряда |
колеблется |
|||
|
от |
9,6 • ІО-17 |
до |
1,8X |
||
|
X 10_іб к. |
|
|
|
||
|
|
А. Д. Знмон и Ю. П. |
||||
|
Петунии [16] для оп |
|||||
|
ределения |
силы |
адге |
|||
|
зии |
использовали |
цен |
|||
|
тробежный |
метод |
от |
|||
|
рыва |
частиц. |
Ими |
|||
|
установлено, что ча |
|||||
|
стицы |
более |
150 |
мкм |
||
|
плохо |
удерживаются |
||||
|
на |
поверхности, |
так |
|||
Рис. 3. Зависимость силы адге |
как |
сила их |
прилипа |
|||
зии от диаметра частицы: |
ния меньше веса (мас |
|||||
/ — уголь; 2 — песок; 3 — стекло |
сы) |
самих |
частиц. |
За |
||
|
висимость |
сил |
адгезии |
|||
от размеров частиц для некоторых |
конкретных |
си |
стем (подложка — частица) выражается различны ми эмпирическими формулами [22]. Одна из них, ха рактеризующая адгезию слоя порошка стеклянных шарообразных частиц диаметром 10—60 мкм к сталь ной поверхности (обработанной по 9-му классу чисто ты) в расчете на 1 см2, имеет вид
г- |
ІО5 |
/ іо\ |
Гсл==~1Г ’ ДИН’ |
' ^ |
где cl — диаметр частицы.
Аналогичные зависимости предложены и другими авторами. Из сказанного видно, что сила адгезии уве личивается с уменьшением размеров частиц.
Ф о р м ы ч а с т и ц . Влияние формы частиц раз личных материалов на процесс сепарации почти не изучено. При одних и тех же условиях частицы одно-
23