Порошки́, двухфазные системы, представляющие собой твёрдые частицы дисперсной фазы, распределённые в воздухе или другой газовой среде. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошок» применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором сила межчастичного взаимодействия становится соизмеримой с их весом. Наибольшее распространение имеют порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм. Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в широких пределах – от нескольких квадратных метров на грамм (аэросил, сажа) до долей квадратного метра на грамм (мелкие пески). Высокодисперсные порошки с частицами размером <1 мкм, взвешенными в газовой фазе и участвующими в броуновском движении, образуют аэрозоли (пыли, дымы).

Структурно-реологические свойства

Наряду с развитой межфазной поверхностью, обусловливающей многие свойства порошков как высокодисперсных систем, важнейшее значение имеют структурно-реологические свойства: способность к необратимым сдвиговым деформациям (течению), образование обратимо разрушаемых контактов между частицами (структурирование) и др. Основные реологические характеристики порошков – предельное напряжение сдвига и эффективная вязкость. В рамках механики сплошных сред, начиная с работы Ш. О. Кулона (1773) до 2-й половины 20 в., порошки рассматривались как пластические тела и на основе теории пластичности были сформулированы условия механической деформации порошков. В частности, сдвиговая деформация порошков наступает при предельном напряжении сдвига $\tau$, обусловленном двумя факторами: притяжением частиц порошка друг к другу (аутогезией) и трением между частицами порошка (обычно называется внутренним трением, но не связанным с диссипацией энергии деформирования). Согласно условию Мора – Кулона, $\tau = C+tg \alpha \cdot \sigma_н,$где $С$ – сопротивление деформированию, связанное с аутогезией, $\alpha$ – угол внутреннего трения, $\sigma_н$ – нормальное напряжение ($tg \alpha \cdot \sigma_н$ – сопротивление, обусловленное внутреннем трением). Аутогезия определяется главным образом природой и силой межчастичного взаимодействия. Основной вклад в межчастичные взаимодействия в порошках дают межмолекулярные взаимодействия и электростатическое отталкивание, связанное с заряжением поверхности при перемещениях частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электростатического взаимодействия особенно важна при взаимодействии полимерных частиц.

Условие Кулона – Мора позволяет сформулировать критерий для различения «связных» порошков, в которых аутогезия велика и частицы сцеплены друг с другом, т. е. система обладает некоторой структурой, и «несвязных» порошков, в которых сопротивление сдвигу обусловлено лишь трением между частицами. Критерий связности имеет вид: $\sigma_н >> C$. Согласно модели, разработанной П. А. Ребиндером, Е. Д. Щукиным и Л. Я. Марголис в 1964 г., аутогезия частиц монодисперсного порошка приводит к возникновению пористой структуры, образованной цепочками из $n$ частиц, вытянутыми в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, причём $n$ связано с пористостью $E$ структуры соотношением:
$E= \frac{ \pi }{6n^3} (3n-2).$В рамках этой модели сопротивление деформированию $C$ соответствует предельному напряжению сдвига пористой структуры и может быть определено выражением:
$C \approx \alpha F_{св} \cdot n^{2/3}=\alpha F_{св} f( \varphi )/ \delta ^2,$где $\alpha$ – коэффициент порядка единицы, характеризующий геометрию упаковки частиц, $F_{св}$ – сила связи между частицами, $n$ число связей в единице объёма, $f( \varphi )$ – функция, определяющая объёмную концентрацию $\varphi$ частиц (число частиц в единице объёма), $\delta$ – характерный размер частиц. Учитывая, что структура порошка возникает при условии, когда вес частицы $G=mg \leq \sum\limits_{i=1}^n F_{св}$($m$ – масса частицы, $g$ – ускорение свободного падения), а также полагая, что для вещества плотностью $\rho m \sim \delta^3$, можно выразить критерий связности частиц в порошке как критический размер $\delta_{кр}$ (Н. Б Урьев, 1975):

$\delta_{кр} \approx (F_{св}/ \rho g )^{1/3}.$Если между частицами действуют силы молярного притяжения, $\delta_{кр}$ изменяется от 100 до 500 мкм; для увлажнённых порошков, в которых существенны капиллярные силы, значения $\delta_{кр}$ на порядок больше. Связными порошками являются высокодисперсные системы с диаметром частиц $\delta \ll \delta_{кр}$, несвязными порошками – грубо-дисперсные системы. Значение $\delta_{кр}$ служит также критерием агрегируемости частиц порошка.

Для связных порошков разрушение, вызываемое растягивающими усилиями, целиком определяется аутогезией. Прочность на разрыв $\tau_р$ (предельно допустимое растяжение) зависит от объёмного содержания частиц (или пористости порошка) и может быть рассчитана на основе тех или иных предположений о структуре порошка. Согласно модели Ребиндера, Щукина и Марголис, при плотной кубической упаковке сферической частиц пористость структуры $E = 0,52$ и прочность на разрыв имеет максимальное значение $\tau_{макс}$. Для сыпучих материалов с $E < 0,52$ прочность $\tau_р$ может быть рассчитана по формуле:$\tau_р / \tau_{макс}=1/п^2.$Для порошков с пористостью $E > 0,52$ можно определить $\tau_р$ на основе предположения о случайной упаковке частиц. Наибольшей прочностью $\tau_{макс}$ обладают порошки с минимальной пористостью $E_{мин}  \approx 0,39-0,41$ (после виброуплотнения $E_{мин}$ может достигать 0,36–0,37). Зависимость $\tau_р$ от $E$ выражается соотношением: $\tau_р / \tau_{макс}=1-2,5(1- \frac{1-E}{1-E_{мин}} ).$Структурно-реологические характеристики порошков можно регулировать в широких пределах, модифицируя межфазную поверхность добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), изменением формы частиц и т. п.

Во 2-й половине 20 в. развитие новых технологий переработки порошковых материалов привело к необходимости изучения поведения порошков в динамических условиях (под воздействием вибрации, в потоке газа, при псевдоожижении и др.). Особенность динамического поведения порошков – течение при сдвиговом напряжении, меньшем предельного, причём, как правило, порошок течёт как неньютоновская жидкость (см. Реология). Агрегация частиц рассматривается как одна из причин неньютоновского поведения. Эффективная вязкость $\eta_{эфф}$ агрегированного порошка зависит от безразмерного параметра $\tau / (\eta \dot{\gamma} )$, где $\eta$ – вязкость неструктурированного порошка, заполняющего пространство между агрегатами, $\dot{ \gamma }$ – скорость сдвига. Соответствующая зависимость выражается степенной функцией:$\eta_{эфф} / \eta \approx ( \tau / \eta \dot{ \gamma } )^n.$Показатель степени $n$ – эмпирический параметр, для большинства порошков принимает значения в интервале от 0,5 до 0,7.

Вязкость $\eta$ можно определить, рассматривая порошок как систему твёрдых, несвязанных сферических частиц. В рамках механики многих частиц установлено, что существует минимальная вязкость (наибольшая текучесть) порошка как функция параметров внешнего воздействия (скорости подачи газа, амплитуды или частоты вибрации). Эти параметры являются оптимальными для многих технологических процессов (например, для перемешивания).

Порошкообразные материалы

В технике и технологии порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм – минеральные вяжущие (цементы, известь, гипс и т. п.), удобрения, пожаротушащие средства, твёрдые компоненты в производстве керамики, металлокерамических изделий, наполнители для пластмасс, резин и др., а также пищевые продукты (мука, сахарная пудра, какао-порошок), лекарственные и косметические средства. Важнейшие технологические свойства таких материалов – сыпучесть (величина, обратная вязкости), уплотняемость (определяется кинетикой изменения объёма порошка под действием динамической нагрузки и достигаемой объёмной плотностью), слёживаемость в процессе хранения (образование структур с прочностью, превышающей первоначальную). Слёживаемость порошка может быть следствием нескольких факторов. Растворимые в воде порошки (например, минеральные удобрения) проявляют склонность к слёживанию при увлажнении и последующем высушивании, т. к. по достижении пересыщения раствора выделяются кристаллы, которые образуют «мостики срастания» между частицами порошка (кристаллизационные структуры). Минеральные вяжущие слёживаются при длительном хранении на воздухе вследствие увлажнения, т. к. образующиеся продукты гидратации менее растворимы в воде, чем исходные порошки, и при пересыщении выделяются кристаллы – мостики срастания.

Слёживаемость порошков при хранении в ёмкости может вызываться увеличением площади контакта между частицами в результате их пластической деформации под действием веса вышележащих слоёв. Для предотвращения слёживания гигроскопичные порошки гидрофобизуют, модифицируя поверхность частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев вводя твёрдые высокодисперсные, нерастворимые в воде добавки. Кроме того, особое внимание уделяют герметизации ёмкостей для хранения порошков, ограничивают сроки хранения и т. п.