Файл: Голомб, Л. М. Физико-химические основы технологии выпускных форм красителей.pdf

Рид методик позволяет проводить измерения в стандартных условиях. Аидреасен [57] первый попытался разработать методику, не зависящую от внешних воздействий. Он всыпал навеску порошка через узкую щель в вертикальную труоу известных диаметра и длины и взвешивал порошок, осевший на дно труоы за определенный про­

межуток времени. Крите­ рием распыляемости по­ рошка служило количество осадка (в %). Фирма Кассела для определения пыления тонкодисперсных порошков типа 8073 при­ меняет способ, основанный на фотометрическом изме­ рении облака пыли, созда­ ваемого навеской испытуе­ мого порошка в специаль­

новки и стабилизации мешалки в осевом и радиальном направлении. Струи воздуха из нее направлены вниз для создания псевдоожижен­ ного слоя порошка, чем обеспечивается пылеобразование. Благодаря Ч-образной насадке улетевшая пыль красителя не может попасть обратно в стаканчик; исключен ртутный затвор; расход воздуха для

104

всех измерений равен 1000 мл/мпн. С долью повышения чувстви­ тельности и изменения диапазона измерений в ротаметре типа РС-ЗА стальной поплавок заменен алюминиевым тех же размеров. Ротаметр градуирован с помощью газовых часов. Мощность электродвигателя выбрана такой, чтобы обеспечивала постоянство вращения при преодолении трения в трех резиновых затворах и подпятнике. Пыля­ щую способность рассчитывают по остатку порошка в измерительном стаканчике после продувки воздуха. В настоящее время воздух заменен азотом для обеспечения постоянства дозирования.

О п р е д е л е н и е п ы л я щ е й с п о с о б н о с т и (ПС). Во взвешенный на аналитических весах измерительный стаканчик помещают 2 г испытуемого порошка и устанавливают в прибор. Под­ соединяют систему улавливания к вакуумной линии, одновременно с подачей воздуха (или азота) включают электродвигатель и секундо­ мер. Измеряют 3 мин, после чего подачу воздуха прекращают и дви­ гатель выключают. Измерительный стаканчик с оставшимся порош­ ком снимают, стряхивают в него остатки порошка с мешалки и взве­ шивают (точность ±0,0001 г). ПС (в %) рассчитывают по уравнению:

в виде пыли в выбранных стандартных условиях. При установлении величины навески, расхода воздуха, продолжительности измерения исходят из следующего: в выбранных условиях все испытуемые красители должны иметь экспериментально ощутимую и хорошо воспроизводимую величину ПС (не более 30%), т. е. необходимо, чтобы — 2/3 навески порошка оставалось в стаканчике после изме­ рений. Точность измерений составляет ±5% . Практически непыля­ щими можно считать порошки красителей с ПС равной 1 %.

Механизм действия ингибиторов пыления. Пыление по­ рошков, т. е. отрыв отдельных частиц от общей массы порошка, проис­ ходит в результате внешних воздействий. Механизм отрыва частиц от поверхности порошка изучен еще недостаточно полно [1, 43]. По­ этому трудно рассчитать, какая часть энергии внешнего воздействия расходуется на отрыв частицы. Силу воздушного потока, стремя­ щуюся распылить порошок, в простейшем случае можно разложить на две составляющие: одну — направленную вдоль поверхности слоя порошка, другую — перпендикулярно к этой поверхности. Горизонтальная составляющая стремится сдвинуть верхние слои порошка друг относительно друга, при этом она ослабляется силами трения. Ее действие проявляется после того, как частицы оторвутся от поверхности порошка. Действие вертикальной составляющей направлено на преодоление силы тяжести отдельных частиц верхнего

1 0 5

слоя, так как силы взаимодействия между частицами сухого по­ рошка незначительны. Можно ожидать, что отрыв частицы произой­ дет в том случае, когда величина вертикальной составляющей равна весу частицы или превышает его. Порошки органических красителей обычно содержат 1—3% влаги, распределенной в объеме частиц; они практически сухие, в связи с чем большинство красителей обла­ дает значительной пылящей способностью. Размер частиц порошков красителей находится в пределах от 15 до 100 мкм. Масса отдельных частиц при плотности нерастворимых в воде красителей

— 1,4 г/см2 [48] составляет от 2,8 -10~9 до 7,0-10"7 г. По-видимому,

минимальная величина силы отрыва частицы должна быть того же порядка.

Порошки красителей, лишенные способности пылить (н е п ы ­ л я щ и е п о р о ш к и ) путем добавления органических полярных жидкостей, минеральных или силиконовых масел и других ингиби­ торов пыления, можно рассматривать как аэрогели, состоящие из твердых контактирующих частиц, разделенных прослойками жидкости, в которой эти частицы не растворяются и не набухают. Между частицами действуют стягивающие капиллярные силы [59— 63]. Порошки красителей после сухого помола состоят из частиц разного размера с шероховатой поверхностью и должны обладать способностью удерживать капиллярно максимальное количество жидкости. У порошков металлов, например, было установлено, что по мере увеличения различия в размерах частиц и повышения сте­ пени их шероховатости относительный объем капиллярно удержива­ емой жидкости значительно уменьшается [59]. Изучение капилляр­ ных усилий, стягивающих два сферических металлических шарика с защемленной между ними жидкостью, показало, что максимальное значение стягивающего усилия F, соответствующего минимальному количеству жидкости, может быть рассчитано по уравнению:

Величины сг разных ингибиторов близки — для трансформатор­ ного масла 29,1, а для силиконовых жидкостей — 20 дин/см [04]. Капиллярная стягивающая сила между двумя частицами, рассчи­ танная по уравнению (4.2) для частиц порошка размером от 15 до 100 мкм, составляет от 0,1 до 0,63 дин, или от 1-10"4 до 6-10~4 гс. Сравнивая величины капиллярного стягивающего усилия с весом частиц порошка, можно заметить, что первые на 3—5 порядков выше, чем вторые. При этом с увеличением зазора между частицами вели­ чина стягивающей силы повышается [62].

Ингибиторы пыления оказывают самое сильное влияние на мелкие частицы, наиболее склонные к распылению. В простейшем случае

106

частица находится на поверхности обеспыленного порошка, под­ вергающегося действию внешней распыляющей силы, и имеет кон­ такт лишь с одной частицей (рис. 4.4). На частицу А, стремящуюся улететь по траектории Е, действует сила тяжести Р, суммирующаяся в данном случае с нею капиллярная стягивающая сила F и противо­ положно им направленная вертикальная составляющая Р г силы отрыва. Примем, что горизонтальная составляющая уравновешена сопротивлением слоя порошка, а вертикальная Р г близка по вели­ чине весу частицы, т. е. Р х — Р. Отношение (Р -(- FiР) показывает, во сколько раз сила, стремящаяся удержать частицу па поверхности

б

Рис. 4.4. Зависимость относительной величины капилляр­ ной стягивающей силы (F/P) от радиуса (Я) частиц порош­ кового красителя с добавкой ингибитора пыления (а и б).

порошка, больше силы отрыва. Поскольку Р 1 йа несколько порядков меньше, чем F, можно считать, что (Р + F)/P *=« F/P, тогда:

Графически эта монотонная функция изображается квадратной гиперболой. Относительная величина капиллярной стягивающей силы возрастает тем больше, че.м меньше радиус частицы. Пример иллюстрирует действие капиллярных сил лишь между двумя части­ цами. Учитывая, что каждая из них находится в контакте с несколь­ кими (от Gдо 12) соседними частицами, а последние с другими и т. д., очевидно, что воздействий, при которых обычный порошок пылит, недостаточно для распыления порошка с добавкой ингибитора.

Если принять средний диаметр частиц порошка равным 50 мкм, а количество ингибитора 1%, то при расчете оказывается, что

107

толщина пленки ингибитора при равномерном распределении на по­ верхности частиц равна —^ 0,2 мкм. Фактически она еще меньше, так как основная масса ингибитора заключена на стыках между части­ цами, в которых образуются мениски в виде манжет, так называемый н о н о и д, являющийся причиной возникновения капиллярной стягивающей силы. Затекание жидкости в стыки между частицами вызвано, как полагают [61], тем, что нт/т уменьшается вследствие этого до величины сгж/т.

Эффективность ингибиторов пыления. Эффективность ингибито­ ров пыления должна проявляться при добавлении их в малых коли­ чествах — не более 2%. Величина ПС порошков не должна превышать 1% после приготовления и длительного хранения; присут­ ствие ингибиторов не должно отрицательно влиять на колористи­ ческие свойства красителей, а также на их внешний вид, дисперс­ ность, смачиваемость водой и способность образовывать устойчивые суспензии; они должны быть доступными и недорогими. Об эффек­ тивности добавки разных веществ в качестве ингибиторов пыления

Таблица 4.3

Сравнительная характеристика ПС (в %) куоовых и дисперсных красителей с разными ингибиторами пыления

* Добавка ингибитора пыления составляла 1%в случае кубовых и 2% —в случае дис­ персных красителей.

108