2.2. Физико-химические основы процесса гранулирования технического углерода
Высказано предположение, что гранулообразование техуглерода происходит в результате энергетического взаимодействия частиц техуглерода при случайных контактах в особо активных участках или при соприкосновении частиц плоскими гранями кристаллитов. В результате таких соприкосновений межмолекулярные силы могут проявить своё действие на сравнительно большой площади.
Гранулообразование техуглерода при сухом способе гранулирования осуществляется за счёт чисто физического механизма образования гранул, причём гранулят обладает обратимыми свойствами, т.е. гранулят можно разрушить и восстановить без существенных изменений в свойствах техуглерода.
Однако измерение вязкости и электропроводности дисперсии техуглерода под давлением показало, что гранулированный и измельчённый техуглерод отличается от исходного.
В процессе грануляции фактически происходят необратимые изменения усиливающих свойств техуглерода, что выражается в физических свойствах резин.
Гранулообразование техуглерода происходит химическим путём при взаимодействии свободных радикалов на поверхности частиц техуглерода, причём количество свободных радикалов в исходном техуглероде больше, чем в гранулированном. Выделяют в процессе гранулирования три стадии: образование зародышей, переход, рост гранул.
На этапе образования зародышей порошок и жидкость смешиваются и при падении происходит контакт между частицами, причём из слоёв жидкости образуются маятниковые мостики. Несколько частиц, соединяясь таким способом образуют непрочный трёхфазный агломерат. Дальнейшая обработка в слое превращает эти зародыши в агломераты, удерживаемые капиллярными силами. На этапе перехода эти зародыши растут по двум возможным механизмам – через маятниковые мостики и путём соединения зародышей. В конце переходного периода образуется множество небольших гранул с широким гранулометрическим составом.
Для этапа роста гранул предложено три различных механизма.
1 механизм. Рост гранул происходит путём прямого агрегирования и разрушения крупных гранул на две или три частицы, которые соединяются затем с небольшими гранулами и друг с другом, образуя крупные гранулы. Приведённый механизм роста гранул относится к процессу окатывания с получением гранул.
2 механизм. Механизм роста гранул зависит от их размеров и включает три области: область образования и роста зародышей (ядер), переходную область, область гранул. Первоначально образуется трёхфазное ядро, воздух-вода-твёрдое вещество, которое растёт за счёт агрегирования зародышей, беспорядочно движущихся и перемешивающихся. Предложено эмпирическое уравнение кинетики роста ядер, включающее их удельную поверхность как критерий потенциала роста:
где S – площадь поверхности ядра на единицу объёма, определённая как величина, обратная среднему диаметру; Kn – константа скорости.
Когда ядро становится настолько компактным, что порозность становится примерно равной содержанию в ней пыли, целостность двухфазной гранулы поддерживается поверхностным натяжением окружающей её плёнки жидкости. В этой переходной области гранулы легко деформируются и обладают высокой поверхностной пластичностью. Как результат этого, механизм роста гранулы сохраняет характер агрегирования. В зоне роста гранул, где сравнительно большие зародыши удерживаются вместе негативным капиллярным потенциалом, механизм роста приобретает чрезвычайно сложный характер и основывается на одном или более из следующих типов: произвольное агрегирование (слипание), т.е. преимущественное сцепление двух круглых гранул разных диаметров, поверхностное выкрашивание, разрушение, массопередача от одной гранулы к другой, крошение и наслоение (напластовывание).