Влияние среды на процесс измельчения

При тонком измельчении материалов наблюдается два одновременно протекающих процесса:

• разрушение частиц внешней силой;

• агрегация частиц, как самопроизвольная, так и вызванная внешними сжимающими усилиями.

Оба эти процесса зависят от природы внешней среды и условий ее взаимодействия с частицами измельчаемого материала. При тонком измельчении вследствие относительно развитой поверхности частиц влияние среды на процесс измельчения особенно велико.

Исследованиями П.А. Ребиндера установлено, что прочность твердого тела может изменяться в результате физико-химического воздействия на материал внешней среды.

Процесс деформации и разрушения твердого тела значительно облегчается, если ввести в среду, где происходит измельчение, даже в небольшом количестве поверхностно-активное вещество (ПАВ).

ПАВ называются вещества, молекулы которых адсорбируются поверхностью твердого тела и снижают его поверхностную энергию.

Адсорбционное понижение прочности и облегчение деформации твердых тел в поверхностно-активных средах получило название «эффекта Ребиндера».

При деформации твердого тела в его поверхностном слое развиваются клиновидные трещины, способные смыкаться после снятия нагрузки. Адсорбционные слои, мигрируя по поверхности, достигают их устья и препятствуют смыканию. Пленки жидкости между твердыми поверхностями оказывают на них расклинивающее действие, которое в случае очень узких щелей заметно способствует их расширению. Б.В. Дерягин показал, что расклинивающая способность жидкости максимальна, когда толщина слоя жидкости равна удвоенному диаметру молекулы, т.е. когда каждая поверхность трещины покрыта мономолекулярным слоем жидкости. Опыт показывает, что расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между молекулами жидкости и поверхностями тех тел, которые она разделяет.

Отмечено существование трех эффектов влияния среды, которое проявляется:

• в пластифицировании тела – поверхностная энергия при этом снижается незначительно;

• в охрупчивании – поверхностная энергия снижается в несколько раз;

• в самопроизвольном диспергировании – поверхностная энергия снижается до 10^-7 Дж/см².

Решающее значение для адсорбционного эффекта понижения прочности, увеличения хрупкости и уменьшения работы разрушения твердых тел имеют дефекты их строения. Поскольку дефекты обладают избыточной свободной энергией, на них происходит интенсивное взаимодействие молекул жидкости и твердого тела. Адсорбционные эффекты проявляются тем сильнее, чем выше дефектность структуры. Величина адсорбционного эффекта зависит также от условий механического воздействия на материал – наиболее благоприятными считаются медленные деформации, а также периодические силовые воздействия. Во втором случае имеет значение соотношение периодов приложения силы и «отдыха». Часть образованных во время приложения силы трещин за время достаточно длительного «отдыха» смыкается, а попавшие в них молекулы жидкости – выдавливаются. При этом происходит залечивание поверхностных микротрещин. С увеличением частоты нагружения эффективность действия ПАВ сначала растет, а затем снижается в связи с тем, что их молекулы не успевают адсорбироваться на вновь образованных поверхностях.

Эффективность растворов ПАВ зависит от их концентрации. Оптимальная концентрация соответствует условиям образования насыщенного мономолекулярного слоя на поверхности твердого тела.