La diferencia en la fuerza cohesiva entre diferentes polvos se debe al tipo y la fuerza de las fuerzas entre partículas (fuerzas de van der Waals, fuerzas capilares, fuerzas electrostáticas, etc.), y sus principales factores de influencia incluyen el tamaño de las partículas, la rugosidad de la superficie, el contenido de humedad y las propiedades del material, lo que da como resultado una fuerza cohesiva que puede abarcar múltiples órdenes de magnitud (de 10 ⁻⁶ N a 10 ⁻¹ N). Esta diferencia se puede describir cuantitativamente mediante el índice de características de agregación, la tensión superficial y el modelo de corrección de rugosidad.
Tamaño de partícula: 5um es el límite clave para la fuerza de cohesión
Los polvos ultrafinos con un tamaño de partícula inferior a 5 µm tienen un índice característico de agregación significativamente mayor debido a su gran superficie específica y a las fuerzas de Van der Waals que dominan la fuerza cohesiva. Los experimentos han demostrado que cuando el diámetro de las partículas disminuye de 10 μ m a 2 μ m, el número de aglomeración (la relación entre la fuerza de interacción de las partículas y la gravedad) se puede aumentar en tres órdenes de magnitud, lo que hace que el polvo pase de un estado de "flujo libre" a un estado de "fuerte aglomeración".
Por ejemplo, la cohesión denanodióxido de titanio(tamaño de partícula ~ 20 nm) es más de 100 veces mayor que el del dióxido de titanio de tamaño micrométrico, debido a la alta proporción de átomos expuestos en la superficie de las partículas finas y a las interacciones intermoleculares más fuertes. Para polvos con un tamaño de partícula superior a 5 μm, la fuerza gravitacional excede la fuerza de Van der Waals y la fuerza de cohesión está determinada principalmente por la fricción y el mordisco mecánico. El índice característico de aglomeración es cercano a 1 y la fluidez es buena.
Rugosidad superficial: "reductor cohesivo" para polvo seco
La fuerza cohesiva de las partículas de superficie lisa proviene principalmente de interacciones intermoleculares directas, mientras que las microprotuberancias (rugosidad>10 nm) en la superficie de los polvos reales debilitan significativamente este efecto. Los cálculos teóricos muestran que la adhesión en seco de perlas de vidrio rugosas es solo 1/10 de la de esferas lisas, ya que el cuerpo microconvexo protege las fuerzas de Van der Waals, reduciendo el área de contacto efectiva a menos del 10% del área aparente. Por ejemplo, el polvo de aluminio esférico (rugosidad de la superficie Ra = 0,1 μm) molido mediante flujo de aire tiene una fuerza cohesiva un 40% menor y una mejora más significativa en la fluidez que el polvo de aluminio irregular (Ra = 1,2 μm) molido mediante molienda mecánica.
Contenido de humedad: la fuerza capilar desencadena un "crecimiento escalonado" de la fuerza cohesiva
Una pequeña cantidad de agua (<5%) formará puentes líquidos entre las partículas, generando cohesión capilar mucho más allá del estado seco. Para el polvo de cuentas de vidrio, agregar un 0,5 % de humedad puede aumentar la fuerza cohesiva de 10 ⁻⁵ N a 10 ⁻² N, que está determinada por la fórmula cap-2 πγ LVRcos θ, donde la tensión superficial γ - LV y el ángulo de contacto θ son parámetros clave. Por ejemplo, la fuerza cohesiva de la arena de cuarzo en estado seco es de sólo 0,01 N. Después de agregar agua al 2%, la fuerza cohesiva puede alcanzar 0,3 N debido a los puentes capilares, lo cual es suficiente para formar una estructura estable de "castillo de arena". Pero cuando el contenido de humedad excede el 15%, las partículas quedan completamente envueltas por una película de agua y la fuerza capilar disminuye, mientras que la fuerza cohesiva queda dominada por la flotabilidad.
Propiedades de los materiales: tensión superficial y efecto regulador de los grupos químicos.
La diferencia en la energía superficial de diferentes materiales da como resultado diferentes valores de base cohesiva. Por ejemplo, los polvos metálicos (como el polvo de cobre, energía superficial γ _SV-1J/m²) tienen una fuerza cohesiva 30 veces mayor que los polvos poliméricos (como el polietileno, γ _SV-0,03J/m²). El polvo que contiene grupos funcionales especiales (como la sílice hidroxilada) tiene una cohesión que es más del 50% mayor que la de polvos no polares similares debido a los enlaces de hidrógeno. Las resinas a base de agua como SV-6145 pueden mejorar la fluidez del recubrimiento y al mismo tiempo mantener la adhesión al reducir la cohesión (al tiempo que retienen los grupos de anclaje). El principio de diseño es utilizar grupos de baja energía superficial para debilitar la atracción entre partículas.
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