Что такое удельная поверхность на какие свойства материалов она влияет

Степень дисперсности и удельная поверхность измельченных материалов.

Некоторые строительные материалы — вяжущие вещества, глины, пигменты и др. представляют собой дисперсные (т. е. находящиеся в значительной степени раздробленности) твердые частицы

(например, в цементе содержится 60—80 % частиц, имеющих размер от 1 до 40 мк).

Часто получение строительных материалов и изделий из тонкораздробленных порошков основано на том, что этот материал (например вяжущее вещество) взаимодействует с водой и образует продукты реакций, обусловливающих процесс твердения. В практике обычно требуется, чтобы на определенной стадии технологического процесса реакции вяжущих веществ с водой протекали быстро и, по возможности, полно. Одним из важных условий, обеспечивающих гидравлическую активность вяжущего вещества, т. е. активность по отношению к воде, служит достаточно высокая степень его дисперсности.

Известно, что химические изменения обусловливаются разностью внутренней энергии веществ, вступающих в реакцию, и продуктов реакции.

Внутренняя энергия зависит не только от вида и количества данного вещества, но и от его дисперсности. По мере прогрессирующего дробления значительно увеличивается суммарная поверхность его частиц или, иначе говоря, возрастает удельная поверхность, т. е. поверхность, отнесенная к единице объема или массы вещества. Удельную поверхность выражают, соответственно, в квадратных сантиметрах на кубические сантиметры (см2/см3, т. е. см-1) или см2/г. Последней размерностью пользуются чаще.

В табл. 1.1 показано возрастание удельной поверхности при прогрессирующем делении одного кубического сантиметра какого-либо вещества на частицы, имеющие условно кубическую форму.

Из таблицы видно, что по мере прогрессирующего дробления тела, взятого в определенном объеме, удельная поверхность увеличивается обратно пропорционально линейным размерам тела.

Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц сильно отличаются от свойств этого же вещества «в массе». Прилежащие к поверхности части данной дисперсной системы обладают особым запасом энергии. С увеличением поверхности вещества возрастает его химическая активность.

Так, исследования показывают, что при удельной поверхности 3000—3500 см2/г цемент химически связывает за два дня для нормального твердения 10—13 % воды, с возрастанием удельной поверхности до 3700—4000 см2/г связывается в тот же срок 14—16 % воды, при удельной поверхности 4500—5000 см2/г — 16—18 % воды. Соответственно, возрастает и прочность изделий. Так, при увеличении удельной поверхности цемента с 3000—3500 до 4000—5000 см2/г прочность

Таблица 1.1. Увеличение удельной поверхности при прогрессирующем дроблении тела

суточного бетона при нормальном твердении возрастает почти в два раза, а при пропаривании (т. е. при тепловлажностной обработке, применяемой для ускорения твердения бетонов) — в 2—2,5 раза.

Следовательно, с возрастанием степени дисперсности цемента достигается за определенный срок большая прочность бетона, или, что обычно применяется в практике, сокращаются сроки, необходимые для получения бетонов заданной прочности. Благодаря этому интенсифицируется производственный процесс, особенно при изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Аналогичный эффект, вызываемый повышением степени дисперсности компонентов реагирующей смеси, наблюдается в производстве известково-песчаных автоклавных изделий. Из природного кварцевого песка, извести и воды получают в автоклаве силикатные кирпичи или блоки, показывающие прочность при сжатии до 100— 150 кгс/см2. Если применить размолотый или другим способом тонкораздробленный песок, прочность изделий, носящих название си- ликальцитных, может превысить 500—800 кгс/см2.

Таким образом, степень дисперсности вещества оказывает большое влияние на технику, а также на экономику производства строительных материалов и изделий. Поэтому в технологии вяжущих веществ обычно стремятся к очень тонкому измельчению сырьевых и получаемых из них вяжущих материалов. Так, при изготовлении цемента, особенно цемента высоких марок и специального быстротвер- деющего, с большой тщательностью диспергируют известняк и глину, из которых готовят цементный клинкер, чтобы тем самым активизировать реакции между ними, протекающие в обжигательной печи; кроме того, в тонкий порошок размалывают продукт обжига — цементный клинкер.

Не так давно в нашей публикации мы рассматривали один из методов определения качества измельчения материала при использовании помольных шаров. Данный показатель основывался на определении «остаток на сите».  В данной статье рассмотрим другой метод, который подразумевает расчет «величины удельной поверхности».  Оба перечисленных показателя полностью характеризуют понятие «качество помола» и оптимальность измельчительного процесса в шаровых мельницах.

Удельная поверхность, или удельная площадь поверхности, — это суммарная поверхность всех частиц измельченного материала, как правило, дисперсного или пористого, разделенная на массу изучаемого материала. Удельная поверхность материала складывается из суммы площадей поверхности всех его зерен. Чем меньше размер этих зерен (тоньше помол), тем больше площадь их общей поверхности. Если частицы измельченного материала имеют развитую пористую поверхность, то площадь поверхности отдельно взятого зерна становится еще больше по сравнению с абсолютно гладким его аналогом, равным по геометрическим параметрам.

По показателю величины удельной поверхности (измеряется в см2/см3 или см2/г) можно судить о физических свойствах полученного после измельчения материала. Данный показатель измельчения материала очень важен при подготовке сырья для производства цемента, газобетона или обогащении полезных ископаемых.

Как же рассчитывается данный показатель? Для расчета теоретически мы предполагаем, что все частицы (зерна) в измельченном материале имеют одинаковый размер и шарообразную форму. В такой идеальной математической модели величина удельной поверхности S определяется по следующей формуле:

где n — число частиц, S и V — соответственно внешняя поверхность и объем частиц, имеющих диаметр δср.

Не будем сильно углубляться в формулы расчетов и теорию дисперсионного анализа измельченного материала. Сегодня все расчеты выполняются автоматически при помощи специальных приборов. В основном наши клиенты пользуются приборами серии ПСХ (приборы системы Ходакова).

В приборах серии ПСХ используется дисперсионный анализ методом определения газопроницаемости. Показатель газопроницаемости измельченного материала определяют по продолжительности времени фильтрации проходящего сквозь него воздуха. При этом за константу берут начальное и конечное разрежение воздуха (давление) в рабочем объеме прибора.  Для расчета удельной поверхности и среднего размера частиц используют удельный вес (плотность) изучаемого материала, массу и высоту его слоя в кювете.  Все процессы полностью автоматизированы, прибор сам рассчитывает величину удельной поверхности, газопроницаемость и средний размер частиц, который должен совпадать с результатами просеивания данного материала через набор сит. Прибор контролирует следующие параметры: время прохождения воздуха через загруженную пробу, температуру воздуха, давление в рабочей камере, вязкость воздуха и т.д. Эти устройства существенно уменьшают длительность проведения такого рода анализов. Так как все процессы (за исключение отбора пробы) полностью автоматизированы, точность измерения и правильность расчетов обеспечивается за счет сведения к нулю действия «человеческого фактора». Единственным условием получения точных результатов является постоянный контроль за исправностью устройства и проведение регулярных проверочных работ.

Для каждой отрасли промышленности есть свои требования к показателю удельной поверхности измельченного материала. Так, для производства газобетонных блоков, удельная поверхность готового шлама должна колебаться в пределах 2800-3300 см2/г. Для цемента этот диапазон составляет 2500-3500 см2/г (зависит от марки выпускаемого цемента).

Подводя итог нашей публикации, еще раз напомним нашим читателям, что правильно подобранные мелющие шары, которые используются в шаровой мельнице, являются основным фактором, который на прямую влияет на качество измельчения, что, в свою очередь, минимизирует затраты на измельчение одной тонны материала. 

Связанные понятия

Дисперсность — физическая величина, характеризующая размер взвешенных частиц в дисперсных системах.

Мембранная ткань (в повседневной речи иногда называют просто мембрана) — вид ткани, которая благодаря своей особой структуре обладает водоотталкивающими или ветрозащитными свойствами и в то же время пропускает через себя водяной пар.

Пористый кремний (por-Si или ПК) — кремний, испещренный порами, то есть имеющий пористую структуру.

Пористое стекло — стеклообразный пористый материал с губчатой структурой и содержанием SiO2 около 96 масс.%. Пористое стекло является результатом термической и химической обработки стекол особого состава.

По́ристость (устар. скважность) — доля объёма пор в общем объёме пористого тела .

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Адсорбционные свойства грунтов (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю) в инженерной геологии — особенности грунтов, характеризующие их способность поглощать (сорбировать) какие-либо вещества. В их основе лежит физико-химическое явление адсорбции — концентрирование вещества (адсорбата) из объёма фаз на поверхности раздела между ними.

Деэмульгатор (от лат. de — «понижение»; лат. emulgeo — «дою», «выдаиваю») — реагент, используемый для разрушения эмульсий, которые образованы из взаимно нерастворимых (мало растворимых) веществ, одно из которых раздробленно в другом в виде мелких капелек (глобул).

Аэрографит представляет собой синтетическую пену, состоящую из трубчатых волокон углерода. Плотность материала составляет 0,18 мг/см3 (0,18 кг/м3), что позволяет назвать данный материал самым легким на сегодняшний день. Аэрографит был разработан объединенной командой университета имени Христиана Альбрехта и Гамбургского технологического университета. Первое сообщение о новом материале было опубликовано в июне 2012 г.

Политрифторхлорэтилен, PCTFE (-CF2-CFCl-)n – представляет собой высокомолекулярный гомополимер трифторхлорэтилена. В России PCTFE выпускается под торговой маркой фторопласт-3 по ГОСТ 13744-83 , относится к числу первых фторсодержащих полимеров, получивших большое практическое значение и промышленное развитие.Зарубежными аналогами фторопласта-3 являются: Kel-f (3M Corp), Alcon (Allied Signal), Aclar (Honeywell International Inc.), Plascon (Allied Signal), Voltalef (Arkema A.G.), Neoflon PCTFE (Daikin…

Покрытие поверхности адсорбатом (англ. coverage) — доля адсорбционных мест на поверхности твердого тела занятых адсорбатом (адсорбированным веществом).

Диспе́рсная систе́ма — образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Газопроница́емость — свойство перегородок из твёрдого тела пропускать сквозь себя газ при разнице в давлении газа с разных сторон перегородки. В зависимости от природы перегородки, а также от величины разницы давлений выделяют три основных типа газопроницаемости: диффузионную, молекулярную эффузию, ламинарный поток.

Лиофильность и лиофобность (от др.-греч. λύω — растворяю, φιλέω — люблю и φόβος — страх) — характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, т. е. достаточно сильное взаимное притяжение молекул вещества (тела) и контактирующей с ним жидкости, характеризует лиофильность; слабое взаимодействие — лиофобность. В наиболее практически важном случае взаимодействия вещества с водой лиофильность и лиофобность называется гидрофильностью…

Амо́рфные вещества́ (тела́) (от др.-греч. ἀ «не-» + μορφή «вид, форма») — конденсированное состояние веществ, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней, и, (если не были под сильнейшим анизотропным воздействием — сжатием или электрическим полем, например) обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различия…

Гидратация цемента — химическая реакция цемента с водой с образованием кристаллогидратов. В процессе гидратации жидкий или пластичный цементный клей превращается в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, вторая — упрочнением, или твердением.

Перлитное превращение – эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe3C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой…

Нанонаполнитель (англ. nanofiller) — добавка, распределенная в матрице композита, размер обособленных элементов которой как минимум по одному из измерений находится в нанодиапазоне.

Технический углерод (техуглерод, ТУ, англ. Carbon black) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах.

Сма́чивание — физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости.

Метод БЭТ (англ. BET method) — метод математического описания физической адсорбции, основанный на теории полимолекулярной (многослойной) адсорбции.

Анодный электролитный нагрев (электролитно-плазменная обработка) – совокупность теплофизических и электрохимических процессов на поверхности анода, связанные с локальным вскипанием жидкости за счет выделения джоулева тепла.

Изоте́рма адсо́рбции, изоте́рма со́рбции — зависимость количества адсорбированного вещества (величины адсорбции) от парциального давления этого вещества в газовой фазе (или концентрации раствора) при постоянной температуре.

Пористый материал (англ. porous material) — твердое тело, содержащее в своем объёме свободное пространство в виде полостей, каналов или пор.

Пове́рхностные явле́ния — совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Нанодисперсия, наноэмульсия или наножидкость — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе. Вследствие малых размеров включений такие системы обладают особыми физикохимическими свойствами. На долю поверхности в них приходится до 50 % всего вещества. Обладают повышенной поверхностной энергией в связи с большим количеством атомов находящихся в возбуждённом состоянии и имеющем…

Пе́на — дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.

Стеклообразное состояние — твёрдое аморфное метастабильное состояние вещества, в котором нет выраженной кристаллической решётки, условные элементы кристаллизации наблюдаются лишь в очень малых кластерах (в так называемом «среднем порядке»). Обычно это смеси (переохлаждённый ассоциированный раствор), в которых создание кристаллической твёрдой фазы затруднено по кинетическим причинам.

Абсо́рбция (лат. absorptio от absorbere — поглощать) — поглощение сорбата всем объёмом сорбента. Является частным случаем сорбции.

Коллоидные системы, коллоиды (др.-греч. κόλλα — клей + εἶδος — вид; «клеевидные») — дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм, распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы, золи) частицы не выпадают…

Механохимическое воздействие (англ. mechanochemical treatment, mechanical milling and alloying) — механическая обработка твердых смесей, в результате которой происходит пластическая деформация веществ, ускоряется массоперенос, осуществляется перемешивание компонентов смеси на атомарном уровне и активируется химическое взаимодействие твердых реагентов.

Жаростойкость (окалиностойкость) — сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Периодические коллоидные структуры — высокоорганизованные коллоидные системы, имеющие определённый порядок расположения дисперсных частиц относительно друг друга.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) — общность мельчайших коллоидных и предколлоидных почвенных частиц органического, минерального или органо-минерального состава, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощённые ионы. Основное свойство ППК это — ёмкость катионного обмена (ЕКО). При всех равных условиях, ЕКО больше в почвах более тяжёлого гранулометрического состава.

Пар-жидкость-кристалл или ПЖК (в английской литературе — vapor-liquid-solid — VLS)) — механизм роста одномерных структур, таких как нановискеры в процессе химического осаждения из газовой фазы. Рост кристалла вследствие осаждения из газовой фазы обычно протекает очень медленно. Однако возможно введение на поверхность капель катализатора, способного адсорбировать вещество из газа до состояния пересыщенного расплава, из которого и будет происходить его кристаллизация на подложку. Таким образом, физические…

Оксид графита (оксид графена) — соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Наиболее окисленные формы являются твёрдыми жёлтыми веществами с соотношением C:O в пределах от 2,1 до 2,9.

Тонкослойная хроматография — хроматографический метод, основанный на использовании тонкого слоя адсорбента в качестве неподвижной фазы. Он основан на том, что разделяемые вещества по-разному распределяются между сорбирующим слоем и протекающим через него элюентом, вследствие чего расстояние, на которое эти вещества смещаются по слою за одно и то же время, различается. Тонкослойная хроматография предоставляет большие возможности для анализа и разделения веществ, поскольку и сорбент, и элюент могут…

Карбополы (Редкосшитые Акриловые Полимеры — РАП) — производные акриловой кислоты, из которых при определенных условиях и с использованием определенных методов, получают гели, которые используются в фармации качестве основ для мягких лекарственных форм. В США и Европе карбополы принято называть карбомерами.

Расплав — жидкое расплавленное состояние вещества при температурах в определённых границах, удалённых от критической точки плавления и расположенных между температурами плавления и кипения.

Углеро́дная нанопе́на — аллотропная модификация углерода, представляющая собой мельчайшую сетку из углеродных нанотрубок и кластеров.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ, англ. Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMW PE) — термопластичный полимер, конструкционный материал, пригодный для работы в экстремальных условиях эксплуатации.

Проника́ющие грунто́вки — водно-дисперсионные материалы, применяющиеся в качестве первого слоя при производстве отделочных работ на минеральных основаниях.

Микрокапсулирование — это процесс заключения мелких частиц вещества в тонкую оболочку пленкообразующего материала.В результате микрокапсулирования получают продукт в виде отдельных микрокапсул размером от долей микрона до сотен микрон. Капсулируемое вещество, называемое содержимым микрокапсул, активным или основным веществом, образует ядро микрокапсул, а капсулирующий материал составляет материал оболочек. Оболочки выполняют функцию разобщения частиц одного или нескольких веществ друг от друга и…

Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводника, включая комнатную (~ 300 К) полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4−10~10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Химико-термическая обработка металлов – нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твёрдых, жидких, газообразных).

Адсорбция (лат. ad — на, при, в; sorbeo — поглощаю) — самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворённого вещества у поверхности раздела двух фаз (твёрдая фаза — жидкость, конденсированная фаза — газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции — десорбция.

Графи́т (от др.-греч. γράφω «записывать, писать») — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально -скаленоэдрический). Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые…

Осадочная хроматография — метод хроматографии, основанный на способности разделяемых веществ образовывать малорастворимые соединения с различными произведениями растворимости.

Поли-п-ксилилен, поли-пара-ксилилен, парилен — линейный полимер п-ксилилена, термопласт, получаемый методом пиролитической полимеризации. Обладает рядом интересных свойств: устойчивость к растворителям и кислотам, высокая температура плавления, хорошие диэлектрические и барьерные свойства. Полимер и его производные находит применение как покрытие для различных изделий, особенно в электронике. Коммерческое название — Parylene N, C, D в зависимости от заместителя в бензольном кольце.

Рекристаллизация наноматериалов (англ. recrystallisation of nanomaterials) — изменение размера зёрен в поликристаллическом твёрдом теле за счёт диффузии вещества между зёрнами одной и той же фазы.