粉末环层
当粉末在圆柱形混合腔内被中心安装的混合工具强烈加速时,就会形成粉末环层。混合工具以很高的周向速度旋转。粉末颗粒因惯性作用被迫沿近似圆形的轨迹运动。
颗粒受到离心加速度作用,其值近似为
az = ω2·r
- 其中 ω 为角速度
- r 为半旋转直径
作用于质量为 m 的颗粒上的合离心力 F 为
Fz = m·ω2·r
由此,粉末被压向混合筒的内壁。在稳态下,会形成一个环形、紧密堆积的区域。这被称为粉末环层。在此层中,离心力、重力和壁面摩擦力处于平衡状态。
颗粒与壁面之间的接触力导致了强烈的剪切应力。壁面摩擦力随法向力增加,而法向力由离心力决定。简化表达式
FR = μ·FN
- μ 为摩擦系数
- FN 为法向力
ω 和 r 越大,法向力就越大,环状层中的剪切应力也就越高。混合工具产生的加速度与壁面产生的减速之间持续的相互作用,导致颗粒发生剧烈的相对运动。团聚体被解聚。与此同时,初级颗粒发生非常强烈的混合。
当添加少量粘合剂时,该机制发生改变。碰撞的颗粒在其接触点处粘合在一起。形成特定尺寸的团聚体。在这种情况下,环形层起到了团聚区的作用。
团聚体的均匀性在很大程度上取决于混合腔的几何形状。一个设计非常圆润的圆柱体具有近乎恒定的壁半径线。此时,混合工具与壁之间的距离基本保持恒定。这被称为高等距度。 高等距性导致环层中剪切应力和法向应力的分布带较窄。所有颗粒都经历类似的应力循环。这有利于形成颗粒聚集体具有较窄的粒度分布。
粉末环层中的动力学过程可以用无量纲指标来理想化描述。一个重要的参数是弗劳德数 Fr。对于旋转容器,它通常定义如下:
Fr=ω²⋅r/g
其中 g 为重力加速度,ω 为角速度,r 为特征半径。弗劳德数表征了离心加速度与重力加速度之比。当离心力占主导地位(Fr≫1)时,环状层会被强烈地压向壁面。当数值较小(Fr<1)时,重力影响增强,粉末可能会部分流出,或者在滚动或滑动层中循环。