【原创】您了解粉体的填充与堆积特性吗？

中国粉体网讯  颗粒空隙空间的几何形状，在不同程度上影响它的全部填充特性，而空隙又取决于填充类型、颗粒形状和粒度分布。确定这些填充特性的确有很大的实际意义。通常，填充程度的评价指标有堆积密度（松装密度和振实密度）、填充率、孔隙率等，这些参数之间存在内在联系。

一、填充程度评价指标

1、堆积密度

堆积密度是指在一定填充状态下，单位填充体积的粉体质量，即为表观密度（kg/m3）。

松装密度是指粉体在堆积过程中，只受重力作用(无任何外力作用）下颗粒形成的自然堆积，此时填充体的表观密度称为松装密度。

振实密度是粉体在堆积过程中受到外力（如振动力、压力)而发生强制性的颗粒重排，排出了填充体中的空气，此时填充体的表观密度称为振实密度。

显然，振实密度大于松装密度，两个密度差异的大小与外加作用力有关。

2、填充率与孔隙率

填充率是指在一定填充状态下，颗粒体积占粉体表观体积的比例。而孔隙率是指某粉体填充体系中，空隙所占体积与粉体表观体积的比值。

二、球形粉体颗粒的填充与堆积

1、等径球形颗粒的规则填充

若以等径球在平面上的排列作为基本层，则有图1所示的正方形排列层和单斜方形排列层或六方系排列层。如取图中涂黑的4个球作为基本层的最小单位，并将各个基本排列层汇总起来，则可得到如图2所示的6种排列形式。

表1汇总了它们的空间特征的计算结果。若将排列2回转90°，则成为排列4，排列3回转125°16'则成为排列6，其空间特性相同。排列1和4是最疏填充，排列3和6是最密填充。

表1等径球规则堆积的结构特性

2、等径球形颗粒的随机填充

等径球形颗粒在实际堆积时，由于颗粒的碰撞、回弹、颗粒间相互作用力以及容器壁的影响，因而不能达到前述的规则堆积结构。而等径球形颗粒的随机填充分成以下四种类型。

（1）随机密填充。把球倒入一个容器中，当容器振动或强烈摇晃时可得这类填充型，平均空隙率为0.359~0.375。

（2）随机倾倒填充。相当于工业上常见的卸出粉料和散袋物料的操作，平均空隙率为0.375~0.391。

（3）随机疏填充。把一堆松散的球放入一个容器内，或者用手一个个随机填充进去，平均空隙率为0.4~0.41。

（4）随机极疏填充。最低流态化时流化床具有的平均空隙率为0.46~0.47。

3、不同粒径球形颗粒的填充与堆积

在规则填充的基础上。等尺寸球之间的空隙理论上能够由更小的球填充，得到更高密度的集合体。

在六方最密堆积中，所有剩余空隙最终被相当小的等尺寸球所填满时，这种最小空隙率为0.039作为排列征的排列被称为Horsfield最紧密堆积。

表2Horsfield最紧密堆积性质

当一种以上的等尺寸球被填充到最紧密的六方排列的空隙中时，空隙率是随着较小球与最初大球的尺寸比值而变化的，空隙率随着较小球数目的增加而减少，但实际并不总是这样，因为在三角形空隙中球的数目不是连续的。当三角形空隙中球的尺寸比为0.1716时，最小空隙率为0.1130，这样的排列称为Hudson堆积。

三、实际粉体颗粒的堆积特征及影响因素

粉体加工过程中，形成的颗粒一般不是球形，而是有棱有角，且颗粒大小不一致，不能形成规则堆积或者是完全随机堆积。因此，了解实际颗粒的堆积特征是很有意义的。通常影响粉体颗粒堆积的因素有以下几点：

1、壁效应

当颗粒填充容器时，会出现一种所谓的壁效应，因为在接近固体表面的地方会使随机填充中存在局部有序，这样，紧挨着固体表面的颗粒常常会形成一层表面形状相同的料层。这种所谓的基本层是正方形和三角形单元聚合的混合体。随机性随着与基本层距离的增加而增加，还随着特殊层的最终消失而增加。

壁效应的另一重要方面是紧挨着壁的位置存在相对高的空隙率区域，这是由于壁和颗粒的曲率半径之间的差异而引起的。图3是由滚珠填充而成的二维实验模型，器壁的第一层是特殊排列的，倾斜壁第二层也就要受壁效应的影响。

2、颗粒形状

粉体的总堆积程度有以下规律:当仅有重力作用时，容器中实际颗粒的松装密度会随容器直径的减小及颗粒层的高度增加而减小;实际颗粒形成的填充体，其孔隙率与颗粒的球形度紧密相关，颗粒球形度降低，则其孔隙率增加，如图4所示。松散堆积时，有棱角的颗粒形成的填充体的孔隙率较大，若颗粒形状越接近于球形，则其孔隙率减小。

另外，颗粒的表面粗糙度对填充体的孔隙率影响也较大，一般颗粒的表面粗糙度越大，则其填充体的孔隙率也越大。

3、粒度大小

如图5所示，对颗粒群而言，粒度越小，由于粒间的团聚作用，空隙率越大，这与理想状态下，颗粒尺寸与空隙率无关的说法有矛盾。当粒度超过某一定值时，粒度大小对颗粒堆积率的影响已不复存在，此值为临界值。这是因为粒间接触处的凝聚力与粒径大小关系不大；反之，与粒子质量有关的力却随粒径三次方的比例急剧增加。

因此，随粒径增大，与粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略不计，粒径变化对堆积率的影响大大减小，因此，通常在细粒体系中，粒径大于或小于临界粒径的物料，对颗粒的行为都有具足轻重的作用。

当颗粒较粗时，增加填充速率会导致粉体的松装密度减小，但是对于如面粉这样有黏聚力的细粉末，减小供料速度可增大松装密度。

4、粉体的含水率

实际颗粒与理想颗粒的表面性质不同，实际颗粒(特别是小颗粒有一定的吸湿性，也会带有表面电荷。因此，对于实际颗粒来说，颗粒越小，堆积过程中颗粒间的黏聚作用越强，其孔隙率会变大，此现象与理想状态下颗粒尺寸和孔隙率无关的说法矛盾，所以潮湿粉体的表观体积会随含水量的增加而变大。

除此之外，潮湿物料由于颗粒表面吸附水，颗粒间形成液桥毛细力，而导致粒间附着力的增大，形成团粒。由于团粒尺寸较一次粒子大，同时，团粒内部保持松散的结构，致使整个物料堆积率下降。

图6是窄粒级砂子含水率和料层容积密度的变化关系曲线。由图可知，当含水量较低时，即在a线部分，随含水量增多，物料容积密度略有降低，但影响不大。随水分继续增大，容积密度迅速降低，当水分达到8%时降到了最低点，随后略有回升。当水分继续增大，达到颗粒在水中沉降时，容积密度会超过干物料的容积密度。