Физика измельчения.

ВВЕДЕНИЕ Диспергирование твердых тел — их измельчение до частиц малых размеров — осуществляется с целью повышения скорости гетерогенных процессов. В большинстве случаев практическое использование твердых материалов в гетерогенных и твердофазных реакциях без их предварительного измельчения вообще невозможно. Поскольку почти все применяемые промышленностью материалы в обычных условиях находятся в твердом состоянии, измельчение является одной из основных операций их переработки. Известны различные способы получения твердых тел в дисперсном состоянии, из них наиболее простым, экономичным и, вследствие этого, наиболее распространенным является механическое измельчение. В настоящее время мировое производство порошков достигает миллиарда тонн в год. На это затрачивается около 10% всей вырабатываемой электроэнергии. Несколько миллионов тонн высококачественной стали расходуется ежегодно на изготовление мелющих тел. Измельчение применяют в таких многотоннажных отраслях промышленности, как горнорудная, цементная, стекольная, пищевая, и в производстве металлокерамики, ферритовых изделий, твердых топлив для реактивных двигателей, взрывчатых веществ, ядерных тепловыделяющих . элементов, лекарственных порошков, ядов и др. В зависимости от природы материала и характера его использования к измельчению предъявляют разнообразные, но, чаще всего, вполне конкретные требования по дисперсности, чистоте, сохранности и др. В большинстве случаев ставится задача получения возможно более тонких порошков при условии, однако, ограничения затрат энергии и времени. Все это привело к необходимости исследования закономерностей процесса измельчения и свойств порошков, а также потребовало развития методов их дисперсионного анализа. Цель научных работ в области измельчения твердых тел состоит в определении условий и разработке способов их наиболее рационального диспергирования и применения. Первые попытки научно обоснованного анализа процесса измельчения принадлежит Риттингеру (1867 г.) и Кику (1985 г.). С того времени появилось множество публикаций посвященных этой теме. Интерес к измельчению особенно возрос в последние десятилетия в связи с резким расширением производства и потребления порошков и новыми техническими возможностями увеличения их дисперсности. Однако к началу нашего исследования (1958 г.) почти не имелось работ, которые рассматривали бы этот процесс с позиций физики и физической химии, с учетом изменения механических свойств твердых тел под влиянием взаимодействия, с жидкостями и газами. В процессе диспергирования можно усмотреть два основных этапа. Первый — разрушение частиц внешней силой, прилагаемой обычно к их совокупности. Второй -агрегация частиц, как самопроизвольная, так и вызванная внешними сжимающими усилиями. Изучение диспергирования связано, следовательно, с проблемой прочности твердого тела и проблемой агрегативной устойчивости, рассматриваемой физико-химией дисперсных систем и поверхностных явлений. Оба процесса — разрушение и агрегация — существенным образом зависят от природы внешней среды и условий ее взаимодействия с частицами. Для дисперсных систем вследствие относительно очень развитой поверхности раздела фаз влияние среды особенно велико. Наряду с диспергированием и агрегацией при измельчении, как и при всяком другом виде механической обработки, происходит изменение кристаллической структуры и энергетического состояния поверхностных слоев частиц. Их исследование представляет «интерес для физики поверхностных явлений и очень важно для понимания механизма измельчения. Состояние поверхностных сдоев существенно влияет на взаимодействие частиц между собой и со средой и, тем самым, на дисперсность порошков. Знание физико-химических свойств поверхностей в ряде случаев необходимо для определения условий практического использования измельченных материалов. Монография посвящена изучению процесса тонкого измельчения твердых тел. В ней рассмотрены различные стороны влияния поверхностно-активных веществ на интенсивность разрушения и взаимодействие дисперсных частиц, механизм их хрупкого разрушения с учетом изменения размеров частиц и общие закономерности процесса диспергирования. Изложены результаты исследований влияния механической обработки на некоторые физико-химические свойства твердых тел, фазовые превращения в них, структуру и энергетическое состояние поверхностных слоев. Здесь же рассмотрены особенности взаимодействия газов и паров со свежеобразованными в момент разрушения поверхностями твердых тел. Необходимой предпосылкой проведения исследований процесса измельчения является владение методами дисперсионного анализа. В области высокой дисперсности практически все они основаны на измерении какого-либо параметра частиц, изменяющегося с уменьшением их размеров. Однако, поскольку физико-химические свойства порошков, получаемых измельчением, определяются не только размерами частиц, их дисперсионный анализ осложняется. Кроме различных способов дисперсионного анализа, в работах по измельчению используются рентгеноструктурный и термографический анализ, электронная микроскопия, масс-спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и химический анализ. Каждый из этих методов применяется в соответствии с конкретными частными задачами исследования. Одним из действенных способов исследования оказался адсорбционный. Явление адсорбции газов и паров в данном случае рассматривается не только как объект, но и в качестве инструмента изучения свойств поверхностей твердых тел и изменения их энергетического состояния в процессе механического разрушения до частиц малых размеров.