粉體受壓變形與壓力關(guān)系的研究論文

1、<p>　　粉體受壓變形與壓力關(guān)系的研究</p><p>　　摘要：本文主要探討粉體在受壓情況下，其變形與施加壓力之間的關(guān)系，對變形過程中的相關(guān)內(nèi)容進行了介紹。并以此為依據(jù)，對輥壓機工作時粉體受壓發(fā)生的變化進行了的分析。</p><p>　　關(guān)鍵字：壓縮性；壓縮方程；粉體受壓；輥壓機</p><p>　　A Study About Powder Compr

2、ession Of The Relationship Between</p><p>　　Deformation And Stress</p><p>　　Abstract：this paper mainly discusses the relationship between the deformation and stress when powder in pressure situa

3、tions and the deformation processs relevant content were introduced.With this as basis,the author Analysised the changes of powder when roller press works.</p><p>　　Key words：Compressibility; Compression equ

4、ation; Powder compression; Roller press</p><p><b>　　0 前言 </b></p><p>　　粉體受壓時會產(chǎn)生變形，體積變小，表明粉體具有壓縮性，壓縮性表示粉體在壓力下體積減少的能力。一般把粉體容積減小，使顆粒填充狀態(tài)變密的過程稱為壓縮。不破壞組成顆粒的壓縮過程稱為密實，反之，壓制成塊和造粒往往要破壞組成顆粒.

5、但是，并無嚴(yán)格的定義。壓縮是在醫(yī)藥品制劑、燃料、炸藥、觸煤、粉狀食品、粉末冶金、陶瓷、塑料、電氣元件等現(xiàn)代工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用的工藝過程。</p><p>　　粉體的壓縮成形性是一個復(fù)雜問題，許多國內(nèi)外學(xué)者在不斷地探索和研究粉體的壓縮成形機理，由于涉及因素很多，其機制尚未完全清楚。目前比較認(rèn)可的幾種說法概括如下：①壓縮后粒子間的距離很近，從而在粒子間產(chǎn)生范德華力、靜電力等吸引力；②粒子在受壓時產(chǎn)生的塑性變形使粒子間

6、的接觸面積增大；③粒子受壓破碎而產(chǎn)生的新生表面有較大的表面自由能；④粒子在受壓變形時相互嵌合而產(chǎn)生的機械結(jié)合力；⑤物料在壓縮過程中由于摩擦力而產(chǎn)生熱，特別是顆粒間文撐點處局部溫度較高，使熔點較低的物料部分地熔融，解除壓力后重新固化而在粒子間形成“固體橋”；⑥水溶性成分在粒子的接觸點處析出結(jié)晶而形成“固體橋”等，以上是使物料成形并保持一定強度的主要原因。粉體的壓縮特性的研究主要通過施加壓力帶來的一系列變化得到信息。</p>

7、<p>　　1 粉體的壓縮特性</p><p>　　1.1 粉體受壓時的壓力分布</p><p>　　按加壓的方法分靜壓縮和沖擊壓縮。用沖頭和沖模進行靜壓縮時，又分單向一面靜壓縮和上下方向兩面靜壓縮，如圖1所示。 </p><p>　　在數(shù)量很大的粉體層上置一圓柱體，施加壓力時粉體層的壓力分布為Boussinesg球頭形，但對

8、于用沖頭和沖模加壓時，則要考慮壁面的影響。用直徑D的上下兩個沖頭壓縮厚度為L的粉體層時，如上沖頭的壓力為，下沖頭的壓力為，則有如下關(guān)系式：</p><p>　　式中為粉體側(cè)壓力系數(shù)；i從為粉體內(nèi)摩擦系數(shù)。實際上，所呈現(xiàn)的形式更為復(fù)雜。</p><p>　　圖1 粉體壓縮流動的例子</p><p>　　1.2 壓縮力和體積的變化 </p><p

9、>　　粉體的壓縮過程中伴隨著體積的縮小，固體顆粒被壓縮成緊密的結(jié)合體，然而其體積的變化較為復(fù)雜。圖2表示相對體積（Vr=堆體積V/真體積Vs）隨壓縮力（p）的變化。</p><p>　　根據(jù)體積的變化將壓縮過程分為四段：</p><p>　　ab段：粉體層內(nèi)粒子滑動或重新排列，形成新的充填結(jié)構(gòu)，粒子形態(tài)不變；</p><p>　　bc段：粒子發(fā)生彈性變形，粒子

10、間產(chǎn)生臨時架橋；</p><p>　　cd段：粒子的塑性變形或破碎使粒子間的接觸面積增大、空隙率減小，增強架橋作用，并且粒子破碎而產(chǎn)生的新生界面使表面能增大，結(jié)合力增強； 圖2 相對體積和壓縮力的關(guān)系</p><p>　　●顆粒狀 ○粉末狀</p><p>　　de段：以塑性變形為主的固體晶格的壓密過程，此時空隙率有限，

11、體積變化不明顯。</p><p>　　這四段過程并沒有明顯界線，也不是所有物料的壓縮過程都要經(jīng)過四段。有些過程可能同時或交叉發(fā)生，一般顆粒狀物料時表現(xiàn)明顯，粉狀物料時表現(xiàn)不明顯。在壓縮過程中粉體層內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象模擬為如圖3所示。圖中(a)行為發(fā)生在ab段，(b)與(c)行為發(fā)生在bc，cd，de段。 圖3 粉體粒子的壓縮行為</p>&

12、lt;p><b>　　1.3 壓縮循環(huán)圖</b></p><p>　　1.3.1 壓縮過程中力的分析</p><p>　　力在壓縮過程中通過壓縮物傳遞到各部位，參見圖4。圖中FU，上沖力；FL，下沖力；FR，徑向傳遞力；FD，模壁摩擦力（損失力）；FE ，推出力；h，成形物高度；D，成形物直徑。</p><p>　　當(dāng)物料為完全流體時F

13、U=FL=FR，在各方向壓力的傳遞大小相同；但在粉體的壓縮中由于顆粒的性狀、大小不同、顆粒間充滿空隙而不連續(xù)等原因顆粒與顆粒間、顆粒與器壁間必然產(chǎn)生摩擦力。各力之間關(guān)系如下：（1）徑向力與軸向力的關(guān)系為： </p&g

14、t;<p>　　式中，υ叫泊松比，通常為0.4～0.5。</p><p>　　（2）壓力傳遞率（FL/FU）是壓縮達到最高點時下沖力與上沖力之比。 圖4 壓縮過程的各種力</p><p>　　式中，μ—顆粒與模壁的摩擦系數(shù)，μ=FD/FR ；K —徑向力與上沖力之比，K=FR/FU ；摩擦力FD=FU-FL。壓力傳遞率越高，成形物內(nèi)部

15、的壓力分布越均勻，最高是100%。</p><p>　　1.3.2 壓縮循環(huán)圖</p><p>　　在壓縮的整個過程中徑向力隨軸向力的變化可用壓縮循環(huán)圖表示。圖5表示典型的壓縮循環(huán)圖，圖中，OA段反映彈性變形過程；AB段反映塑性變形或顆粒的破碎過程；B點上解除施加的壓力；BC是彈性恢復(fù)階段，BC線平行于OA線；CD線平行于AB線；OD表示殘留模壁壓力，其大小反映物料的塑性大小。</p

16、><p>　　OA線的斜率為υ/（1-υ），流體時υ=0.5，其直線斜率為1；當(dāng)物料為軟性物質(zhì)時其直線斜率接近于1，而物料為較硬且彈性較高時其斜率偏底；AB線表示物料的壓縮性，從A點沿著AB延長與橫軸的交點可讀出屈服應(yīng)力S，當(dāng)物料為塑性物質(zhì)時AB線斜率為1（即FR=FU-S），例如蔗糖結(jié)晶和氯化鈉結(jié)晶的塑性較強，其AB線斜率為0.7～0.8之間。壓縮過 圖5 壓縮循環(huán)</p>&l

17、t;p>　　程中顆粒發(fā)生破碎時，AB線斜率小于1，將這種物質(zhì)叫莫爾體。物料為完全彈性物質(zhì)時壓縮循環(huán)圖變?yōu)橐粭l直線，即壓縮過程與解除壓力過程都在一條直線上變化。</p><p>　　1.4 壓縮功與彈性功</p><p>　　1.4.1 壓縮力與沖位移(壓縮曲線) </p><p>　　壓縮力與上沖位移曲線如圖6所示。l段為粉末移動，緊密排列階段；2段為壓制過程

18、；3段為解除壓力，彈性恢復(fù)過程；A表示最終壓縮力。理想的塑性變形物料的壓縮曲線應(yīng)是0AB直角三角，根據(jù)壓縮曲線可以簡便地判斷物料的塑性與彈性。如物料的塑性越強，曲線2的凹陷程度越小，曲線3越接近垂直。如果完全是彈性物質(zhì)，壓制過程與彈性恢復(fù)過程在一條曲線上往復(fù)。</p><p><b>　　1.4.2 壓縮功</b></p><p>　　壓縮功等于壓縮力與距離的乘積，由

19、于壓縮力隨上沖動距離的變化而變化，</p><p><b>　　即：F=</b></p><p>　　如上圖中壓縮曲線OA，因此在壓縮過程中所做的功W=dx，是壓縮曲線OA下的面積，即OAB的面積，其中CAB的面積表示彈性恢復(fù)所做的功，因此用于壓縮成形（或塑性變性）所做的功是OAC的面積。</p><p>　　圖6 壓縮曲線 (壓縮力與沖移動距

20、離)</p><p><b>　　1.4.3 彈性功</b></p><p>　　從壓縮曲線可求得壓縮功和彈性功。實際應(yīng)用的藥物多數(shù)為粘彈性物質(zhì)，即既有粘性又有彈性，只不過以哪個性質(zhì)為主而已。有些藥物在一次壓縮過程中很難完成全部的塑性變形，需進行多次壓縮。圖7表示兩次壓縮時壓縮曲線的變化，單斜線部分為塑性變形所消耗能量雙斜線部分為彈性功。第二次壓縮時壓縮功明顯小于第一

21、次，如果反復(fù)壓縮時壓縮功趨于一定，因為此時塑性變形趨于零，所做的功完全是彈性變形所做的功，或彈性變形所需的能量。根據(jù)完成塑性變形所需次數(shù)可以辨認(rèn)該物質(zhì)是塑性變形為主還是彈性變形為主。塑性較好的物質(zhì)一般在1—2次壓縮就能完成塑性變形，彈性較強的物質(zhì)在重復(fù)壓縮十幾次甚至二十多次才能完成塑性變形。 圖7 壓縮力-沖移動距離的典型曲線</p><p>　　a 首次壓縮曲線 b 第二次壓縮曲線<

22、/p><p>　　2 粉體的壓縮方程</p><p>　　有關(guān)反映壓縮特性的方程已有20多種，主要是以壓縮壓力對體積的變化特征為信息進行整理的經(jīng)驗-半經(jīng)驗公式。壓縮方程主要來自粉末冶金學(xué)、金屬粉末的壓縮成形的研究文獻中，但多數(shù)方程也可應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，方程中常數(shù)反映物料的壓縮特性，往往與物料的種類以及其粉體性質(zhì)有關(guān)。其中Heckel方程最常用于壓縮過程中比較粉體致密性的研究。將Heckel方程

23、中的體積換算為空隙率，其表達式如式：</p><p>　　式中，P—壓力；ε—壓縮時粉體層的孔隙率；ε0—最初孔隙率，直線斜率K表示壓縮特性的參數(shù)。由實驗結(jié)果表明，直線關(guān)系反映由塑性變形引起的孔隙率的變化；曲線關(guān)系反映由重新排列、破碎等引起的空隙率的變化。一般顆粒在壓力較小時表現(xiàn)為曲線關(guān)系，壓力較大時成直線關(guān)系。其直線斜率K值越大，表明由塑性變形引起的空隙率的變化大，即塑性越好。這些過程與粉體的種類、粒度分布、粒

24、子形態(tài)、壓縮速度等有關(guān)。</p><p>　　圖8 根據(jù)Heckel式劃分的壓縮特性的分類</p><p>　　A．以塑性變形為主；B．以顆粒的破碎為主</p><p>　　C．粒子不發(fā)生重新排列，只有塑性變形</p><p>　　根據(jù)Heckel方程描述的曲線將粉體的壓縮特性分類為三種，參見圖8。A型：壓縮過程以塑性變形為主，初期粒徑不同而

25、造成的充填狀態(tài)的差異影響整個壓縮過程，即壓縮成形過程與粒徑有關(guān)；B型：壓縮過程以顆粒的破碎為主，初期不同的充填狀態(tài)（粒徑不同）被破壞后在某壓力以上時壓縮曲線按一條直線變化，即壓縮成形過程與粒徑無關(guān)；C型：壓縮過程中不發(fā)生粒子的重新排列，只靠塑性變形達到緊密的成形結(jié)構(gòu)。壓縮曲線的斜率反映塑性變形的程度，一般A型物質(zhì)的斜率大于B型物質(zhì)。</p><p>　　3 輥壓機工作時的粉體變化情況</p>&l

26、t;p>　　物料層在較高的體積密度下,選擇一種適合于物料特征的應(yīng)力強度,控制物料有規(guī)律地通過應(yīng)力區(qū),使施力物體與磨料顆粒之間以及磨料顆粒相互之間有效地進行力的傳遞,致使磨料遭到破碎或者產(chǎn)生大量的裂紋,就必然會節(jié)約能耗。新型高效節(jié)能輥壓機就是料層粉碎理論實踐的產(chǎn)物。深入研究高壓輥壓機的碎磨機理與節(jié)能途徑,無疑對研制新型高效磨機和改進現(xiàn)有設(shè)備將具有重要的意義。</p><p>　　3.1 輥壓機工作原理<

27、/p><p>　　輥壓機工作原理如圖9所示，主要依靠兩個水平安裝且同步相向旋轉(zhuǎn)的擠壓輥進行高壓料層粉碎。被封閉的物料層在被迫向下移動的過程中所受擠壓力逐漸增至足夠大，直至被粉碎且被擠壓成密實料餅從機下排出。這種料餅的機械強度很低，手捻即碎。料餅中含有大量的細粉，其中小于90m的成品細小顆粒約占</p><p>　　圖9 輥壓機工作原理示意圖</p><p>　　20～3

28、0%，粗顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被破壞，產(chǎn)生許多微裂紋，易磨性很高。也就是說，在擠壓過的料餅中小于2 mm的物料顆粒約占60～70%，而且又有許多微裂紋。</p><p><b>　　3.2 料層粉碎</b></p><p>　　料層粉碎時，直接接觸外力的顆粒數(shù)量很少，顆粒在高壓下形成料層，應(yīng)力的傳遞主要靠顆粒本身，顆粒和鄰近顆粒相互作用而產(chǎn)生裂縫、斷裂、劈裂而粉碎。在輥壓機

29、上部，物料首先進行類似于輥式破碎機的單顆粒破碎。物料向下運動，顆粒間隙減小,進入料層粉碎。</p><p>　　對于“料層粉碎”德國Claustal學(xué)院Schonert教授作出了明確的闡述：“物料不是在破碎機工作面上或其他粉磨介質(zhì)間作單個顆粒的破碎或粉磨。而是作為一層或一個料床得到粉碎。料層在高壓下形成，壓力導(dǎo)至顆粒壓迫其他鄰近顆粒，直至其主要部分破碎、斷裂,產(chǎn)生裂縫或劈開。”</p><p&

30、gt;　　粉碎作用主要決定于粒間的壓力，而不決定于兩輥的間隙。作用在物料上的壓力決定于作用力F和受力面積A，其平均壓力為F/A。但是實際上壓力分布是一條曲線，在中間達到最大值。粉碎效應(yīng)是壓力的函數(shù)，在一定范圍內(nèi)效率最高，超過此壓力，效率變化不大。</p><p>　　3.3 粉體受壓過程中發(fā)生的變化</p><p>　　3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)的變化</p><p>　

31、　物料在粉碎過程中，晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了晶粒尺寸變小、晶粒表面或內(nèi)部產(chǎn)生缺陷、非晶化和無序化等過程。然后經(jīng)歷晶格畸變（比表面積增大等)到質(zhì)變。所謂晶格畸變是指品格點陣粒子的排列部分失去周期性而導(dǎo)致的晶面間距發(fā)生變化、形成晶格缺陷、晶粒尺寸變小等現(xiàn)象。物料在粉碎過程中，在強烈和長久機械力的作用下，發(fā)生不同程度的晶格畸變(晶粒尺寸變小、結(jié)構(gòu)無序化、表面形成無定形或非晶態(tài)物質(zhì)，甚至發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變)。</p><p>　　3.3

32、.2 晶粒的非晶化</p><p>　　在機械力作用下，有序的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，在晶體表面產(chǎn)生許多缺陷，使晶體結(jié)構(gòu)無序化，且當(dāng)機械負(fù)荷撤消后也不能恢復(fù)。由于機械力的作用，結(jié)晶顆粒表面的結(jié)晶構(gòu)造受到強烈破壞而形成非晶態(tài)層。隨著粉碎的繼續(xù)進行，非晶態(tài)層變厚，最后導(dǎo)致整個結(jié)晶顆粒無定形化。而無定形層會由表及里擴展。晶體在無定形化過程中內(nèi)部儲存巨大能量，是誘發(fā)其他變化的根本原因。</p><p>&

33、lt;b>　　4 結(jié)語</b></p><p>　　粉體的受壓后會發(fā)生一系列復(fù)雜的變化，其變形與壓力有著密切的關(guān)系，它會隨著壓力的改變而發(fā)生一定的變化。粉體的受壓變形對生產(chǎn)，工藝都有著重要的作用，都可以通過粉碎動力學(xué)以及粉碎機理等加以解釋說明。輥壓機屬于料層粉磨，它具有節(jié)能效果顯著，生產(chǎn)效益高等優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。</p><p><b>　　參考文獻&

34、lt;/b></p><p>　　[1] 陸厚根. 粉體技術(shù)導(dǎo)論[M]. 上海: 同濟大學(xué)出版社,1998:81－82</p><p>　　[2] 王奎升.工程流體與粉體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國計量出版社,2002: 145－147</p><p>　　[3] 蔡光先.中藥粉體工程學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2008:123－127</p>