Loading article…
粉末とは、振ったり傾けたりすると自由に流動する、非常に細かい粒子が多数集まった乾燥した固体です。粉末は粒状物質の特殊なサブクラスですが、粉末と粒状という用語は、異なる種類の物質を区別するために用いられることもあります。特に、粉末とは、粒径がより細かい粒状物質を指し、そのため流動時に凝集しやすい性質があります。一方、粒状物質とは、より粗い粒状物質を指し、湿潤時以外は凝集しにくい性質があります。
小麦粉、砂糖、挽いたコーヒー、粉ミルク、コピー機のトナー、火薬、化粧用パウダー、一部の医薬品など、多くの工業製品は粉末状で販売されています。自然界では、塵、細かい砂や雪、火山灰、月のレゴリスの最上層なども粉末状の例です。
粉末は産業、医学、地球科学において重要な役割を果たすため、化学技術者、機械技術者、化学者、物理学者、地質学者、その他の分野の研究者によって詳細に研究されてきた。
一般的に、粉末は粗粒状物質に比べて、圧縮したり緩めたりすることで、はるかに広い範囲の嵩密度に変化させることができます。粉末は、散布すると非常に軽くふわふわとした状態になります。振動させたり圧縮したりすると、非常に高密度になり、流動性を失うことさえあります。一方、粗砂の嵩密度は、それほど大きな範囲で変化しません。
粉末の凝集挙動は、個々の粒子同士がくっつく原因となる分子ファンデルワールス力によって生じます。この力は粉末だけでなく、砂や砂利にも存在します。しかし、このような粗粒状物質では、個々の粒子の重量と慣性が非常に弱いファンデルワールス力よりもはるかに大きいため、粒子間のわずかなくっつきは物質の全体的な挙動に支配的な影響を与えません。粒子が非常に小さく軽量な場合にのみファンデルワールス力が支配的になり、物質が粉末のように凝集します。流動条件と粘着条件の境界となる粒径は、簡単な実験によって決定できます。[ 1 ]
粉体の挙動には、他にも多くの共通点があります。例えば、分離、層状化、詰まりと詰まり解消、脆性、運動エネルギーの損失、摩擦せん断、圧縮、レイノルズの膨張などが挙げられます。
粉末は、粗い粒状物質とは異なる方法で大気中を運ばれます。まず、微粒子は周囲の気体の抗力に比べて慣性が小さいため、直線的に移動するのではなく、気流に乗って移動する傾向があります。このため、粉末は吸入による危険性があります。大きな粒子は鼻や副鼻腔の防御機構をすり抜けることはできませんが、粘膜に衝突して付着します。すると、体は粘液を体外に排出して粒子を取り除こうとします。一方、小さな粒子は肺まで到達し、そこから排出されることはありません。適切な呼吸保護具を使用せずに特定の粉末を扱うと、珪肺症などの重篤で、場合によっては致命的な疾患を引き起こすことがあります。
また、粉塵粒子が十分に小さい場合、大気中に非常に長い間浮遊する可能性があります。空気分子のランダムな運動と乱流は、重力による下向きの力に対抗する上向きの力を生み出します。一方、粗い粒状粒子は非常に重いため、すぐに地上に落下します。塵は、一度かき乱されると、大陸や海洋を横断する巨大な砂嵐を形成し、その後地表に沈降します。これが、自然環境には有害な塵が比較的少ない理由です。いったん上昇した塵は、雨や水域などの水に触れるまで、非常に高い確率で空中にとどまります。水に触れると、塵は付着し、下流に流されて、静かな湖や海に泥の堆積物として沈殿します。地質学的変化によってこれらの堆積物が後に大気に再びさらされると、すでに固まって泥岩という岩石の一種になっている可能性があります。比較のために述べると、月には風も水もないため、月のレゴリスには塵は含まれていますが、泥岩は含まれていません。
粒子間の凝集力は、粒子が空中に舞い上がるのを阻害する傾向があり、地表を横切る風の動きは、風上に突き出た大きな砂粒よりも、低い位置にある塵粒子を乱す可能性が低い。車両の通行、掘削作業、動物の群れの通過といった機械的な攪拌は、一定の風よりも粉塵を舞い上げるのに効果的である。
粉体の空気力学的特性は、工業用途において粉体を輸送する際にしばしば利用されます。空気輸送とは、ガスを吹き込むことでパイプを通して粉体や粒状物を輸送する方法です。ガス流動床とは、粉体または粒状物質を充填した容器に、上向きにガスを吹き込むことで粉体をふわふわにしたものです。これは流動床燃焼に用いられ、ガスと粉体を化学反応させます。
粉末の種類によっては、粉塵の発生しやすさが異なる場合があります。一定のエネルギー入力に対して、粉末が空気中に粒子を発生させる傾向を「粉塵発生性」と呼びます。これは粉末エアロゾル化に関連する重要な粉末特性です。また、職場におけるエアロゾル化した粒子への人体曝露、およびそれに伴う健康リスク（皮膚接触または吸入による）にも影響を与えます。
工業で一般的に使用される粉末の多くは可燃性です。特に金属や小麦粉などの有機物はそうです。粉末は表面積が非常に大きいため、一度着火すると爆発的な力で燃焼する可能性があります。製粉工場などの施設は、適切な粉塵対策を講じなければ、このような爆発の危険性が高まります。
ペーストやゲルは完全に乾燥すると粉末になることがあります。しかし、湿っている状態では自由に流れないため、粉末とはみなされません。乾燥した粘土のような物質は、非常に細かい粒子からなる乾燥した塊状の固体ですが、粒子間の凝集力が強すぎるため、粉末のように自由に流れず、粉砕しない限り粉末とはみなされません。液体はせん断応力に抵抗できないため、傾斜した角度で流れることなく存在することはできません（つまり、安息角はゼロです） 。一方、粉末は固体であり、液体ではありません。なぜなら、せん断応力を支えることができ、安息角を示すことができるからです。