Der Unterschied in der Kohäsionskraft zwischen verschiedenen Pulvern ist auf die Art und Stärke der Kräfte zwischen den Partikeln (Van-der-Waals-Kräfte, Kapillarkräfte, elektrostatische Kräfte usw.) zurückzuführen. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören Partikelgröße, Oberflächenrauheit, Feuchtigkeitsgehalt und Materialeigenschaften, was zu einer Kohäsionskraft führt, die sich über mehrere Größenordnungen erstrecken kann (von 10 ⁻⁶ N bis 10 ⁻¹ N). Dieser Unterschied kann quantitativ durch den Aggregationsmerkmalsindex, die Oberflächenspannung und das Rauheitskorrekturmodell beschrieben werden.
Partikelgröße: 5 µm ist die Schlüsselgrenze für die Stärke der Kohäsionskraft
Ultrafeine Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 5 µm weisen aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche und der die Kohäsionskraft dominierenden Van-der-Waals-Kräfte einen deutlich erhöhten Aggregationskennwert auf. Experimente haben gezeigt, dass bei einer Verringerung des Partikeldurchmessers von 10 μm auf 2 μm die Agglomerationszahl (das Verhältnis der Wechselwirkungskraft der Partikel zur Schwerkraft) um drei Größenordnungen erhöht werden kann, was dazu führt, dass das Pulver von einem „freien Fließzustand“ in einen „starken Agglomerationszustand“ übergeht.
Zum Beispiel der Zusammenhalt vonNano-Titandioxid(Partikelgröße ~ 20 nm) ist aufgrund des hohen Anteils freiliegender Atome auf der Oberfläche feiner Partikel und stärkerer intermolekularer Wechselwirkungen mehr als 100-mal so groß wie Titandioxid in Mikrometergröße. Bei Pulvern mit einer Partikelgröße von mehr als 5 μm übersteigt die Gravitationskraft die Van-der-Waals-Kraft und die Kohäsionskraft wird hauptsächlich durch mechanisches Beißen und Reibung bestimmt. Der Agglomerationskennwert liegt nahe bei 1 und die Fließfähigkeit ist gut.
Oberflächenrauheit: „kohäsiver Reduzierer“ für trockenes Pulver
Die Kohäsionskraft von Partikeln mit glatter Oberfläche beruht hauptsächlich auf direkten intermolekularen Wechselwirkungen, während die Mikrovorsprünge (Rauheit > 10 nm) auf der Oberfläche realer Pulver diesen Effekt deutlich abschwächen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass die Trockenhaftung von rauen Glasperlen nur 1/10 der von glatten Kugeln beträgt, da der mikrokonvexe Körper Van-der-Waals-Kräfte abschirmt und die effektive Kontaktfläche auf weniger als 10 % der scheinbaren Fläche reduziert. Beispielsweise weist kugelförmiges Aluminiumpulver (Oberflächenrauheit Ra=0,1 µm), das durch Luftstrom gemahlen wird, eine um 40 % geringere Kohäsionskraft und eine deutlichere Verbesserung der Fließfähigkeit auf als unregelmäßiges Aluminiumpulver (Ra=1,2 µm), das durch mechanisches Mahlen gemahlen wird.
Feuchtigkeitsgehalt: Kapillarkraft löst ein „stufenartiges Wachstum“ der Kohäsionskraft aus
Eine kleine Menge Wasser (<5 %) bildet Flüssigkeitsbrücken zwischen den Partikeln und erzeugt so einen kapillaren Zusammenhalt weit über den trockenen Zustand hinaus. Bei Glasperlenpulver kann die Zugabe von 0,5 % Feuchtigkeit die Kohäsionskraft von 10 ⁻⁵ N auf 10 ⁻² N erhöhen, was durch die Formel cap-2 πγ LVRcos θ bestimmt wird, wobei die Oberflächenspannung γ - LV und der Kontaktwinkel θ Schlüsselparameter sind. Beispielsweise beträgt die Kohäsionskraft von Quarzsand im trockenen Zustand nur 0,01 N. Nach Zugabe von Wasser auf 2 % kann die Kohäsionskraft aufgrund der Kapillarbrückenbildung 0,3 N erreichen, was ausreicht, um eine stabile „Sandburg“-Struktur zu bilden. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt jedoch 15 % übersteigt, werden die Partikel vollständig von einem Wasserfilm umhüllt und die Kapillarkraft nimmt ab, während die Kohäsionskraft durch den Auftrieb dominiert wird.
Materialeigenschaften: Oberflächenspannung und regulierende Wirkung chemischer Gruppen
Der Unterschied in der Oberflächenenergie verschiedener Materialien führt zu unterschiedlichen kohäsiven Grundwerten. Beispielsweise haben Metallpulver (z. B. Kupferpulver, Oberflächenenergie γ _SV-1J/m²) eine 30-mal höhere Kohäsionsfestigkeit als Polymerpulver (z. B. Polyethylen, γ _SV-0,03J/m²). Pulver mit speziellen funktionellen Gruppen (z. B. hydroxyliertes Siliciumdioxid) haben aufgrund der Wasserstoffbrückenbindung eine um mehr als 50 % höhere Kohäsion als ähnliche unpolare Pulver. Wasserbasierte Harze wie SV-6145 können die Fließfähigkeit der Beschichtung verbessern und gleichzeitig die Haftung aufrechterhalten, indem sie die Kohäsion verringern (unter Beibehaltung der Verankerungsgruppen). Das Konstruktionsprinzip besteht darin, Gruppen mit niedriger Oberflächenenergie zu verwenden, um die Anziehung zwischen den Teilchen zu schwächen.
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