The effect of surface-active compounds on the tensile strength of limestone and porphyry particles

• Autorzy: Brożek M. , Oruba-Brożek E.

Warianty tytułu

PL

Wpływ związkow powierzchniowo czynnych na wytrzymałość na rozciąganie ziaren wapienia i porfiru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The real strength of solids is affected by the presence of structural defects, i.e. micro-cracks around which the stresses during tension are concentrated. It depends also on the free surface specific energy, which can be reduced by the introduction of surface active compounds (SAC). This paper presents the results of investigations on the influence of surface-active compounds upon the tensile strength of single mineral particles. The tests were performed on limestone and porphyry. The authors determined the distribution of strength of particles without chemical treatment and after treatment with distilled water and solutions of sodium oleate and dodecylamine hydrochloride. The effect of SAC was evaluated according to the average tensile strength value and the wetting angle, determined by the settled drop method. The results indicate that different substances have varied effects in lowering the strength of limestone and porphyry particles. These differences can be explained by the different SAC adsorption rates on the surface of each material which, in consequence, result in different penetration rates in primary micro-cracks (on which the amount of crack-strength lowering depends). It can also be explained by the different number of surface cracks on limestone and porphyry particles. This hypothesis is confirmed by the results of investigations of the wetting angle of both materials by the surface active compounds used in this investigation.

PL

Rzeczywista wytrzymałość ciał stałych jest uwarunkowana obecnoscią wrodzonych wad struktury — mikropęknięć, wokół których koncentrują. się. naprężenia przy rozciąganiu. Jest ona również zależna od swobodnej energii powierzchniowej właściwej, którą można obniżyć za pomocą związków powierzchniowo czynnych (ZPC). Praca przedstawia wyniki badań wpływu ZPC na wytrzymałość pojedynczych ziaren mineralnych na rozciąganie. Badania wykonano na wapieniu i porfirze. Wyznaczono rozkład wytrzymałości ziaren bez obróbki chemicznej, a także po obróbce wodą destylowaną oraz roztworami oleinianu sodu i chlorowodorku dodecyloaminy. Wpływ ZPC oceniano na podstawie średniej wartości wytrzymałości na rozciąganie oraz kąta zwilżania wyznaczonego metodą osadzonej kropli. Dystrybuantę rozkładu wytrzymałości ziaren dobrze przybliża rozkład Weibulla. Dobroć dopasowania mierzono wskaźnikiem Q określonym wzorem (9). Szczegółowe postacie rozkładów wytrzymałości przedstawiają wzory (11)-(18). Sądząc z wartości wskaźnika Q, rozkład Weibulla dobrze przybliża rozkład wytrzymałości na rozciąganie nieregularnych ziaren mineralnych. Wartości wytrzymałości średniej [sigma] oraz średni procentowy spadek wytrzymałości ziaren po obróbce ZPC [delta][sigma]/8,3 oraz [delta][sigma]/7,58 odpowiednio dla wapienia i porfiru przedstawia tablica 1. Zarówno w przypadku wapienia, jak i porfiru stosowane ZPC obniżają wytrzymałość ziarna. Jednakże stopień obniżenia wytrzymałości na rozciąganie za pomocą tego samego związku jest zróżnicowany. W przypadku wapienia, który jest materiałem jednorodnym, największe obniżenie wytrzymałości uzyskuje się po obróbce roztworem aminy, natomiast w przypadku porfiru, który jest materiałem niejednorodnym, analogiczny spadek wytrzymałości zanotowano po obróbce wodą destylowaną. To zróżnicowanie spadku wytrzymałości ziaren wapienia i porfiru po obróbce tymi samymi związkami znajduje wyjaśnienie w wartościach kąta zwilżania obu surowców przez ten sam ZPC (według wzorów Younga (19) i Griffith'a (1) większy kąt zwilżania pociąga za sobą większą wytrzymałość ziama). Kąt zwilżania jest zależny od rodzaju stosowanego odczynnika (tabl. 1). Jak widać z tablicy 1, im większy kąt zwilżania tym większa wytrzymałość ziaren wapienia. Zatem przez pomiar kąta zwilżania można oceniać wielkość wpływu ZPC na obniżenie wytrzymałości materiałów jednorodnych. W przypadku materiałów niejednorodnych wartość kąta zwilżania przez różne związki nie musi pozostawać w takiej samej korelacji z wartościami wytrzymałości średniej ziaren, gdyż wtedy działanie ZPC jest zależne najprawdopodobniej od składu mineralnego danego materiału. Wynika to z faktu, że mechanizm działania ZPC i stopień ich adsorpcji w szczelinach znajdujących się na granicach faz mineralnych może być zależny od rodzaju sąsiadujących minerałów. Hipotezy te wymagają jednak potwierdzenia na przykładzie innych materiałów jednorodnych i niejednorodnych. Ponieważ woda jest związkiem silnie zmniejszającym wytrzymałość niektórych ciał stałych, celowe jest przebadanie wpływu stężenia ZPC na obniżenie wytrzymałości.

Słowa kluczowe

EN

particle tensile strength; surface-active compounds; Weibull's distribution

PL

wytrzymałość ziarna na rozciąganie; związki powierzchniowo czynne; rozkład Weibulla; kąt zwilżania

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 1
• Strony: 133--147
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., wykr., tab.

Twórcy

autor

Brożek M.

• Zakład przeróbki Kopalin, Ochrony Środowiska i Utylizacji Odpadów, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Oruba-Brożek E.

• Zakład przeróbki Kopalin, Ochrony Środowiska i Utylizacji Odpadów, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Austin L.G., 1987: Approximate calculation of specific fracture energies for grinding. Powder Technology 53, 145-150.
• [2] Bergstrom B.H., Sollenberger C.L., Mitchel W., 1961: Energy aspects of single particie Crushing. Trans. AIME 220, 367-379.
• [3] Bolewski A., Turnau-Morawska M., 1963: Petrografia. Wyd. Geologiczne, Warszawa.
• [4] Brożek M., 1996. Immediate tensile strenght of irregular minerał particles. Arch. Min. Sci. 41, 341-360.
• [5] Chodakov T.S., 1972: Fizika izmielczenija. Izd. Nauka, Moskwa.
• [6] Doremus R.H., 1983: Fracture statistics; A comparison of the normal, Weibull and Type I Extreme value distributions. J. Apply. Phys. 54, 193-198.
• [7] Drzymała J., 2001: Podstawy mineralurgii. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
• [8] Griffith A.A., 1921: Phenomena of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 221, 163-198.
• [9] Grzymek J., Gustaw K., Ostap K., 1969: Wpływ substancji powierzchniowo-czynnych na proces rozdrabniania ciał stałych o różnej budowie strukturalnej. Cement-Wapno-Gips 36, 204-210.
• [10] Kanda Y., Sano S., Yashima S., 1986: Consideration of grinding limit based on fracture mechanics. Powder Technology 48, 263-267.
• [11] Percoy N.W., Szczukin E.D., 1970: Fiziko-chimiczeskoje wlijanije sredy na processy deformacii, razruszenija i obrabotki twierdych tieł. Fizika i chimija obrabotki materiałów No 2, 60-82.
• [12] Petrys T., 1962: Efekt Rebindera. Wiadomości Chemiczne 16, 433-448.
• [13] Polferov K.J., Kotelnikoy B.P., Kuleszowa J.A., Vołkov J.M., Rebinder P.A., 1971: Adsorpcjonnoje poniżenie procznosti pri izmelczeni antracita i kamiennogo uglej w uslowijach powyszenoj temperatury. DAN SSSR 199,890-892.
• [14] Rebinder P.A., Lichtman V.I., Koczanova L.A., 1956: Adsorpcionnyje poniżeni procznosti metalliczeskich monokristallow i samoproizwolnoje dispergirowanije w żidkoj srede. Dokł. AN SSSR 111, 1278-1281.
• [15] Ryncarz A., Laskowski J., 1973: Efekt Rebindera a wpływ odczynników flotacyjnych na proces mielenia. Fizykochemiczne Problemy Przeróbki Kopalin 7, 231-254.
• [16] Shulze H.J., 1992: Interface Actions in Minerał Processes. Aufb. Technik 33, 691-697.
• [17] Weibull W., 1951: A statistical distribution function of wide applicability. J. Appl. Mech. 18, 293-297.
• [18] Wenstrem E.K., 1952: Adsorbirujuszczesja wieszczestwa kak poniziteli twerdosti chrupkich Tieł. Kolloidnyj Żumał 14, 297-306.