span.fullpost {display:none;}

2004/12/31

Lý thuyết sáng tạo TRIZ

Dạ Trạch

Rất nhiều người trong chúng ta cho rằng sáng tạo mang tính bẩm sinh, trời phú. Nhưng đối với những người theo thuyết sáng tạo (TRIZ) thì cái điều mà tưởng chừng rất thần bí và có vẻ phụ thuộc vào năng khiếu rất nhiều như vậy cũng có thể HỌC HỎI được và học hỏi một cách rất có qui tắc.
Sau đây là bản dịch 40 nguyên tắc sáng tạo TRIZ và hy vọng rằng các bạn có thể áp dụng một cách thành công trong công việc và đời sống.

Theo TRIZ của Genrich S. Altshuller có 5 mức sáng tạo:
1. Vấn đề được giả quyết bằng các phương pháp trong chuyên ngành. Không cần sáng tạo. Khoảng 32% giải pháp thuộc loại này
2. Cải tiến chút ít hệ thống đã có bằng cách phương pháp đã biết trong ngành công nghiệp và thường có một vài thỏa hiệp. Khoảng 45% giải pháp thuộc loại này
3. Cải tiến cơ bản hệ thống đã có bằng phương pháp đã biết ngoài ngành công nghiệp. Khoảng 18% giải pháp thuộc loại này
4. Một thế hệ mới sử dụng một nguyên lí mới để thực hiện những chức năng cơ bản của hệ. Giải pháp tìm thấy mang tính khoa học nhiều hơn công nghệ. Khoảng 4% giải pháp thuộc loại này
5. Một phát hiện khoa học hiếm hoi hay một phát minh tiên phong về một hệ hoàn toàn mới. Khoảng 1% giải pháp thuộc loại này

Các cấp bậc sáng tạo

Mức Độ sáng tạo% giải phápNguồn kiến thứcSố giải pháp được nghiên cứu
1Giải pháp đã có32Kiến thức cá nhân100
2Cải tiến chút ít45Kiến thức công ti102
3Cải tiến nhiều18Kiến thức trong ngành công nghiệp103
4Khái niệm mới4Kiến thức ngoài ngành công nghiệp105
5Phát minh1Tất cả kiến thức của loài người106


40 nguyên tắc sáng tạo

1. Phân chia
a. Chia vật thể thành những phần độc lập
b. Tạo một vật thể lắp ghép
c. Tăng mức độ phân chia của vật thể
VD : đồ gỗ lắp ghép, mô đun máy tính, thước gấp

2. Trích đoạn
a. Trích (bỏ hoặc tách) phần hoặc tính chất « nhiễu loạn » ra khỏi vật thể hoặc,
b. Trích phần hoặc tính chất cần thiết
VD : Để đuổi chim khỏi các sân bay, sử dụng băng ghi âm tiếng các con chim đang sợ hãi (âm thanh được tách ra khỏi các con chim)

3. Đặc tính định xứ
a. Chuyển cấu trúc (của vật thể hoặc môi trường/tác động bên ngoài) từ đồng nhất sang không đồng nhất
b. Những bộ phận khác nhau thực hiện những chức năng khác nhau
c. Đặt mỗi bộ phận của vật thể dưới các điều kiện hoạt động tối ưu
VD : - Để tránh bụi từ các mỏ than một cái màn mau bằng nước có dạng hình nón được dùng cho các bộ phận của máy khoan và máy ủi. Màn càng mau thì càng tránh bụi tốt nhưng lại làm cản trở việc quan sát. Giải pháp là dùng một lớp màn thưa xung quanh nón màn mau.
- Bút chì và tẩy trên cùng một cái bút

4. Bất đối xứng
a. Thay một hình đối xứng thành một hình không đối xứng
b. Nếu vật thể đã bất đối xứng rồi thì tăng độ bất đối xứng
VD : - làm một mặt của lốp xe khỏe hơn mặt kia để chịu được tác động của lề đường
- khi tháo cát ướt bằng một cái phễu đối xứng, cát tạo ra một cái vòm ở lỗ, gây ra dòng chảy bất thường. Một cái phễu bất đối xứng sẽ loại trừ hiệu ứng tạo vòm này

5. Kết hợp
a. Kết hợp về không gian những vật thể đồng nhất hoặc những vật thể dành cho những thao tác kề nhau
b. Kết hợp về thời gian những thao tác đồng nhất hoặc kề nhau
VD : yếu tố hoạt động của một máy xúc quay có những cái vòi hơi đặc biệt để làm tan và làm mềm đất đông cứng

6. Tổng hợp
Vật thể hoạt động đa chức năng loại bỏ một số vật thể khác
VD : - ghế sofa có chức năng của một cái giường
- ghế của xe tải nhỏ có thể điều chỉnh thành chỗ ngồi, chỗ ngủ hoặc để hàng hóa

7. Xếp lồng
a. Để một vật thể trong lòng một vật thể khác, vật thể khác này lại để trong lòng một vật thể thứ ba
b. Chuyển một vật thể thông qua một khoảng trống của một vật thể khác
VD : - ăng ten có thể thu ngắn lại được
- ghế có thể chất chồng lên nhau để cất đi
- Bút chì với những mẩu chì dự trữ để bên trong

8. Đối trọng
a. Bù trừ trọng lượng của vật thể bằng cách nối với một vật thể khác mà có một lực đẩy
b. Bù trừ trọng lượng của vật thể bằng tương tác với môi trường cung cấp khí hoặc thủy động lực
VD : - thiết bị nâng thân tàu
- cánh sau của xe ô tô đua có thể tăng áp suất từ ô tô lên mặt đất

9. Phản hoạt động trước tiên
a. Thực hiện phản hoạt động trước tiên
b. Nếu vật thể chịu áp lực thì cung cấp cung cấp một phản áp lực trước đó
VD : - gia cố cột hoặc nền móng
- gia cố trục tạo thành từ vài ống trước tiên được vặn theo một số góc đặc biệt

10. Hoạt động trước tiên
a. Trước tiên thực hiện tất cả hoặc một phần hoạt động
b. Sắp xếp các vật thể sao cho chúng có thể đi vào hoạt động trong một khoảng thời gian hợp lí và từ một vị trí thích hợp
VD : - lưỡi dao tiện ích tạo với đường rãnh cho phép phần cùn của lưỡi dao có thể được bẻ đi, để lại phần sắc
- Xi măng cao su hình chai rất khó có thể xếp chặt và đồng nhất. Thay vào đó nó được đổ thành hình băng.

11. Đề phòng
Bù trừ cho tính không tin cậy của vật thể bằng biện pháp trả đũa trước tiên
VD : hàng hóa được bố trí để ngăn cản việc ăn cắp đồ

12. Đẳng thế
Thay đổi điều kiện làm việc sao cho không phải nâng lên hoặc hạ xuống
VD : dầu động cơ ô tô được công nhân thay trong các hố gầm để tránh sử dụng những dụng cụ nâng bốc đắt tiền

13. Đảo ngược
a. Thay cho một hành động điều khiển bởi các chi tiết kĩ thuật của bài toán, áp dụng một hành động ngược lại
b. Làm cho phần chuyển động của vật thể hoặt môi trường bên ngoài của vật thể trở nên bất động và những phần bất động trở thành chuyển động
c. Lật úp vật thể
VD : khi mài vật thể thì di chuyển vật mài chứ không di chuyển bàn chải như thế bàn chải sẽ đỡ bị mòn hơn

14. Làm tròn
a. Thay những vật thể thẳng hoặc bề mặt bằng phẳng thành những mặt cong ; thay thể hình lập phương thành hình cầu
b. Sử dụng con lăn, vật hình xoắn ốc
c. Thay thế chuyển động thẳng bằng chuyển động quay ; tận dụng lực li tâm
VD : máy tính sử dụng con chuột có cấu trúc tròn thành chuyển động hai chiều trên màn hình

15. Năng động
a. Tạo một vật thể hoặc môi trường của nó tự động điều chỉnh tới chế độ tối ưu tại mỗi trạng thái hoạt động
b. Chia vật thể thành những phần nhỏ mà có thể thay đổi vị trí tương đối với nhau
c. Nếu vật thể bất động thì làm cho nó chuyển động và có thể trao đổi được
VD : - đèn chớp với cái cổ ngỗng linh động giữa thân và bóng đèn
- mạch máu trong cơ thể người có hình ống. Để giảm cặn hoặc mạch máu không quá tải, chỉ một nửa mạch máu có dạng ống có thể mở ra.

16. Hành động một phần hoặc quá mức
Nếu khó có thể đạt 100% hiệu quả mong muốn thì cố đạt đến cái đơn giản nhất
VD : - một ống xi lanh được sơn bằng cách bơm sơn, nhưng bơm quá nhiều sơn. Lượng sơn thừa được lấy ra bằng cách quay nhanh ống xi lanh
- để có thể lấy hết bột kim loại ra khỏi cái thùng, người đóng đai có một cai phễu đặc biệt có thể bơm để cung cấp áp suất cố định bên trong thùng

17. Chuyển động tới một chiều mới
a. Loại bỏ các bài toán bằng cách dịch chuyển một vật thể trong một chuyển động hai chiều (tức là dọc theo mặt phẳng)
b. Dùng tổ hợp chồng chập đa lớp thay cho đơn lớp
c. Làm nghiêng vật thể hoặc quay nó lên cạnh của nó
VD : một nhà kính có một gương cầu lõm ở phía bắc của ngôi nhà để cải thiện ánh sáng ở phía đó thông qua phản xạ ánh sáng ban ngày

18. Rung động cơ học
a. Đặt vật thể vào thế rung động
b. Nếu đã rung động rồi thì tăng tần số, thậm chí đến tận tần số sóng siêu âm
c. Sử dụng tần số cộng hưởng
d. Thay áp rung cho rung cơ học
e. Dùng rung động siêu âm với từ trường
VD : - bỏ khuôn đúc ra khỏi vật thể mà không hại đến bề mặt vật thể, cưa tay thông thường được thay bằng dao rung động
- rung khuôn đúc trong khi đổ vật liệu vào để giúp dòng chảy của vật liệu và các tính chất cấu trúc

19. Hành động tuần hoàn
a. Thay một hành động liên tục thành một hành động tuần hoàn (xung)
b. Nếu một hành động đã tuần hoàn rồi thì thay đổi tần số
c. Sử dụng xung giữa các xung lực để cung cấp hành động bổ xung
VD : - tác động mở ốc nên dùng xung lực hơn là một lực liên tục
- đèn báo nháy sáng có tác dụng thu hút chú ý hơn đèn phát sáng liên tục

20. Liên tục hóa hành động hiểu quả
a. Thực hiện một hành động liên tục (không nghỉ) trong đó tất cả các phần của vật thể hoạt động hết công suất
b. Loại bỏ các hành động không hiệu quả và trung gian
VD : một cái khoan có cạnh để cắt cho phép cắt theo chiều tới và lui

21. Dồn đột ngột
Thực hành các thao tác có hại hoặc mạo hiểm với tốc độ thật nhanh
VD : máy cắt ống kim loại mỏng có thể tránh cho ống không bị biến dạng trong quá trình cắt khi cắt với tốc độ nhanh

22. Chuyển thiệt thành lợi
a. Sử dụng những yếu tố có hại hoặc các tác động môi trường để thu những hiệu quả tích cực
b. Loại bỏ những yếu tố có hại bằng việc kết hợp nó với một yếu tố có hại khác
c. Tăng tác động có hại đến khi nó tự triệt tiêu tính có hại của nó
VD : - cát sỏi đông cứng khi vận chuyển qua thời tiết lạnh. Nếu quá lạnh (dùng ni tơ lỏng) làm cho nước đá trở nên giòn, cho phép rót được
- khi nung nóng chảy kim loại bằng lò cao tần, chỉ có phần ngoài trở nên nóng. Hiệu ứng này được dùng để nung nóng bề mặt.

23. Thông tin phản hồi
a. Mở đầu thông tin phản hồi
b. Nếu đã có thông tin phản hồi thì đảo ngược nó
VD : - áp suất nước từ một cái giếng được duy trì bằng việc đo áp suất ra và bật bơm nếu áp suất quá thấp
- Nước đá và nước được đo một cách tách biệt nhưng cần kết hợp để tính tổng khối lượng riêng. Vì nước đá rất khó có thể pha chế một cách chính xác, do đó nó được đo trước. Khối lượng đó được đổ vào một dụng cụ điều khiển nước, để có thể pha chế với liều lượng cần thiết.

24. Môi giới
a. Dùng một vật thể trung gian để truyền hay thực hiện một hành động
b. Tạm thời nối một vật thể với một vật thể khác mà nó dễ dàng được tháo bỏ đi
VD : để làm giảm năng lượng mất mát khi đặt một dòng điện vào một kim loại nóng chảy, người ta dùng các điện cực được làm nguội và các kim loại nóng chảy trung gian có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn

25. Tự phục vụ
a. Làm cho vật thể tự phục vụ và thực hiện những thao tác bổ sung và sửa chữa
b. Tận dụng vật liệu và năng lượng bỏ đi
VD : - để tránh cho đường ống phân bố các vật liệu mài mòn, bề mặt của ống được phủ một loại vật liệu trống ăn mòn
- trong một cái súng hàn điện, thanh tròn được đưa lên bằng một dụng cụ đặc biệt. Để đơn giản hệ thống thanh được đưa lên bằng một cuộn dây có dòng điện cấp cho mũi hành chạy qua

26. Sao chụp
a. Dùng một bản sao đơn giản và rẻ tiền thay cho một vật thể phức tạp, đắt tiền, dễ vỡ hay bất tiện b. Thay thế một vật thể bằng bản sao hoặc hình ảnh của nó, có thể dùng thước để tăng hoặc giảm kích thước
c. Nếu các bản sao quang học đã được dùng, thay chúng bằng những bản sao hồng ngoại hoặc tử ngoại
VD : chiều cao hoặc chiều dài của vật thể có thể được xác định bằng cách đo bóng của chúng

27. Vật thể rẻ tiền, tuổi thọ ngắn thay cho vật thể đắt tiền, tuổi thọ dài
Thay một vật thể đắt tiền bằng nhiều những vật thể rẻ tiền có ít ưu điểm hơn (ví dụ tuổi thọ kém đi)
VD : giấy vệ sinh dùng một lần

28. Thay thế hệ cơ học
a. Thay thế hệ cơ học bằng hệ quang, âm hoặc khứu giác (mùi)
b. Dùng điện, từ, điện từ trường để tương tác với vật thể
c. Thay thế các trường
1. Trường tĩnh bằng các trường động
2. Trường cố định bằng trường thay đổi theo thời gian
3. Trường ngẫu nhiên bằng trường cấu trúc
4. Dùng một trường kết hợp với các hạt sắt từ
VD : để tăng liên kết của lớp sơn kim loại và vật liệu dẻo nóng, quá trình được thực hiện bên trong một trường điện từ, trường này tạo lực tác động lên kim loại

29. Xây dựng khí, thủy lực học
Thay thế các phần cứng rắn của vật thể bằng khí hoặc chất lỏng. Các phần này có thể dùng không khí hoặc nước để phồng lên, hoặc dùng đệm hơi hay đệm thủy tĩnh
VD : - để tăng cặn của hóa công nghiệp, một cái ống hình xoáy ốc với các vòi được dùng. Khi những luồng không khí đi qua các vòi, cái ống đó sẽ tạo ra một bức tường kiểu khí, làm giảm vật cản
- để vận chuyển những đồ dễ vỡ người ta dùng phong bì bọt khí hoặc vật liệu bọt

30. Màng linh động hoặc màng mỏng
a. Thay cấu trúc truyền thống bằng cấu trúc làm từ màng linh động hoặc màng mỏng
b. Cô lập vật thể ra khỏi môi trường xung quanh bằng cách sử dụng màng linh động hoặc màng mỏng
VD : để tránh hơi nước bốc bay ra khỏi lá cây, người ta tưới một lớp nhựa tổng hợp. Sau một thời gian lớp nhựa đó cứng lại và cây phát triển tốt hơn vì màng nhựa cho phép ô xi lưu thông qua tôt hơn hơi nước

31. Dùng vật liệu xốp
a. Dùng vật thể xốp hoặc các yếu tố xốp (chèn, phủ, …)
b. Nếu một vật thể đã xốp thì làm đầy các lỗ chân lông trước bằng một vài chất liệu
VD : để tránh bơm chất lỏng làm nguội vào máy một số bộ phận của máy được nhét đầy các vật liệu xốp thấm hết các chất lỏng đó. Hơi làm nguội khi máy làm việc làm cho máy nguội đồng nhất trong thời hạn ngắn

32. Đổi màu
a. Đổi màu của vật thể hoặc những thứ quanh nó
b. Đổi độ trong suốt của vật thể hoặc quá trình mà khó có quan sát
c. Dùng bổ sung màu để quan sát các vật thể hoặc quá trình khó quan sát
d. Nếu đã dùng bổ sung màu thì dùng các yếu tố khác để theo dõi
VD : - một miếng gạc trong suốt có thể cho phép theo dõi vết thương mà không cần tháo ra
- màn chắn nước để bảo vệ công nhân máy cán thép khỏi bị bỏng nhưng màn đó cung không cản trở việc quan sát thép nóng chảy. Người ta làm cho nước có màu để tạo một hiệu ứng lọc (để giảm bớp cường độ ánh sáng) trong khi vẫn giữ tính trong suốt của nước

33. Tính đồng nhất
Làm các vật thể tương tác với vật thể đầu tiên bằng cùng loại vật liệu hoặc vật liệu rất gần với vật thể đầu tiên đó
VD : bề mặt của máng chuyển vật thể cứng được làm cùng loại vật liệu với vật thể chạy trên đó cho phép phục hồi liên tục bề mặt của máng

34. Những phần loại bỏ và tái sinh
a. Một yếu tố của vật thể sau khi hoàn thành chức năng hoặc trở nên vô dụng thì hãy loại bỏ hoặc thay đổi nó (vứt bỏ, phân hủy, làm bay hơi, …)
b. Loại bỏ ngay lập tức những phần của vật thể không còn tác dụng
VD : - ca tút của viên đạn được lấy ra ngay sau khi súng bắn
- Phần thân của tên lửa tách ra sau khi làm hết chức năng của nó

35. Chuyển pha lí hóa của vật thể
Thay đổi trạng thái kết tập, phân bố mật độ, độ linh động, nhiệt độ của vật thể
VD : trong một hệ có những vật liệu dễ vỡ, bề mặt của cái vẵn xoáy trôn ốc được tạo thành từ vật liệu dẻo với hai lò xo xoáy ốc. Để điều khiển quá trình, bước của đinh ốc có thể thay đổi từ xa

36. Chuyển pha
Ứng dụng các hiệu ứng trong quá trình chuyển pha của vật liệu. Ví dụ trong khi thay đổi thể tích, bậc tự do hay hấp thụ nhiệt
VD : ứng dụng trong tủ lạnh để hạ nhiệt độ xuống thấp

37. Giãn nở nhiệt
a. Dùng vậtt liệu có thể co giãn theo nhiệt độ
b. Sử dụng các vật liệu khác nhau với các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau
VD : để điều khiển đóng mở cửa sổ trong nhà kính, một tấm gồm hai kim loại được nối với cửa sổ. Khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm cho tấm cong lên hoặc cong xuống làm cho cửa sổ đóng mở

38. Sử dụng chất ô xi hóa mạnh
a. Thay không khí thường bằng môi trường nhiều không khí
b. Thay môi trường giàu không khí bằng ô xi
c. Xử lí vật thể trong môi trường giàu không khí hoặc ô xi bằng phóng xạ ion hóa
d. Sử dụng ô xi ion hóa
VD : để thu nhiều nhiệt hơn từ ngọn lửa, ô xi được cung cấp thay cho không khí thường

39. Môi trường khí trơ
a. Thay môi trường thường bằng môi trường khí trơ
b. Thực hiện quá trình trong chân không
VD : để tránh bông khỏi bắt lửa trong kho hàng, người ta dùng khí trơ khi vận chuyển tới khu tập kết

40. Vật liệu composite
Thay vật liệu đồng nhất bằng vật liệu composite
VD : cánh của máy bay làm bằng vật liệu composite cho khỏe và nhẹ hơn

Dispersing Powders in Liquids


-- 4: Particle Structure --


When you pour a powder out of a container onto a flat surface, you often find that it is agglomerated into clumps. Some clumps fall apart under their own weight as they tumble, while others may not break unless they are hit with a hammer. The term {\sl particle} means an assemblage of solid matter which translates and rotates as a rigid unit, with no translational or rotational motion of the constituent parts with respect to the whole.
Before attempting to disperse a powder in a liquid, you should determine the structure of the starting powder and get a clear description of what sort of particle size and structure is required in the end-use application. Many discussions between marketing representatives, plant supervisors, technical support people, particle size analysts, and academic researchers suffer from great confusion because of differences in nomenclature or conceptualization of the structure of the solid particles.
The term "particle" is used very loosely, and it may be used to refer to either a single crystal or a loosely bound clump of smaller units. It does not imply that anything is either nonporous or agglomerated or dispersed to the maximum extent. Many other terms in slurry technology are also used loosely, so you must be quite careful to establish at the beginning of a discussion just what others mean for each term. Drawings can be very helpful for describing the structures found for the starting powder, intermediate states, and the final dispersion.


Levels of Particle Structure

There are often several levels of structure in a clump. Small primary particles are often cemented together by rather strong forces to form medium-size aggregates which are bound by moderate forces to form large agglomerates. These may be collected by weak forces into large and tenuous flocs. As we go from lower to higher level structures, the strength of bonding decreases, the void (nonsolid) fraction within the clump boundaries increases, and the degree of structural complexity increases.

People who are not familiar with slurry technology often do not realize how complex a clump of particles can be. They may believe that a single pass through a low energy process such as screening breaks the feed material down to fundamental particles. This is rarely the case. More experienced workers know that while loosely bound clumps may be broken up by a low energy process to moderate size particles, these are usually agglomerates of still smaller particles. The specialist will always insist upon examining the powder with a microscope (or electron microscope) so as to determine the structure in detail. The purpose of this section is to discuss the most common particle structures and to describe how they are formed in industrial processes.

The terminology for describing the structure of particles often seems somewhat confused because there are a wide variety of different structures that can be formed from the wide variety of chemical compositions in this world. The terms listed below describe structures typical of different regions in the continuum of bond energies and contact areas that may be formed. There are no sharply defined dividing lines between the regions. Many specialists use variants of the terminology presented, since what one specialist considers to be a relatively weak bond may be considered by others to be a relatively strong bond.



Fundamental Particles

Fundamental particles are the lowest level of structure -- having the highest degree of crystal lattice or structural homogeneity, the highest density, and the lowest void fraction For crystalline materials the fundamental particles are single crystal domains. It is important to note that even a particle that looks like a single, nonporous, unagglomerated crystal may in fact be made up of several single crystal domains; for example, magnetic particles are generally made up of microdomains with different orientations. The boundaries and orientations of these domains change in response to exposure to an external magnetic field.

For noncrystalline solids we can define the fundamental structural elements to be those regions that are homogeneously solid (with no voids down to the atomic packing level) and cut from the solid continuum into relatively convex shapes by imaginary cut-planes of minimum area. Thus, the regions on each side of a pore would be separate fundamental units and a porous or sintered clump would be a high-level structure made up of many fundamental units.


Fig. 2.1a -- Varieties of Single Particle Structure



Twins and Mosaics

Twinned crystals are made up of two (relatively perfect) crystal domains that are joined at a plane which forms a symmetry element. Thus there is a large angle between the major axes of the two crystal domains. Twins are usually formed during the the initial precipitation of a solid. The exterior of a primary particle usually grows by addition of solution material at kinks or shelves or screw dislocations in the surface, so the exterior atomic plane is not flat. Rapid growth about a dislocation can produce a twinned crystal. Polarized light microscopy can usually distinguish twinned crystals from single crystals.

Mosaics are made up of multiple crystal domains which have only small differences in angle between their major axes so that the crystal planes meet at the grain boundary (also called a domain boundary) with only a small mismatch in lattice parameters. In those cases where these domains have dimensions comparable to the wavelength of x-rays (0.001 to 10 nm), then the broadening of lines in an x-ray powder diffraction pattern can be used to characterize the size of the grains that make up the mosaic.

Semicrystalline polymeric materials have regions of crystallinity adjacent to regions of amorphous (glassy) structure. These may be considered to be mosaics. A polymer chain that is part of the crystalline region may also be part of the amorphous region, so the regions may be bound together very strongly along the plane separating the two regions, with little or no void fraction.



Aggregates and Porous Particles

An aggregate is a clump of fundamental particles that are strongly bonded through a region that is not planar or involves some voids, so there is significantly imperfect contact between the particles. See Chapter 1 for a discussion of differences between European and American terminology. Aggregates may be crystals joined across rough faces, porous materials, clumps of particles held together by extensive precipitation bridges or heavily sintered structures for which the cross sectional area of the regions joining the fundamental particles is larger than the surface area which is exposed to void space.

A precipitation bridge forms when precipitation occurs at the point where two particles make contact in a floc or a packed bed of material. A heteroprecipitation bridge or gel bond forms when a solid different from the core particle precipitates at the contact points. This may occur when a coating agent is applied to an incompletely dispersed slurry or when a soluble salt precipitates out during the drying of a filtercake.

The contact points between primary particles can deform under pressure to increase the area of contact between particles in a packed bed. Sintering occurs when surface material migrates to broaden the contact area and fuse the structures of two originally distinct particles. This is called thermal sintering or pressure sintering according to which variable was used to produce the effect. Sintering is most commonly applied to amorphous materials such as glasses or metals. The surface migration rate increases exponentially with temperature, and sintering can occur within reasonable contact times at (absolute) temperatures as low as 70% of the solid's melting point.


Fig. 2.1b -- Varieties of Clump Structure



Agglomerates or Strong Flocs

A strong floc is a clump of particles with large areas in close proximity but not in intimate contact. Direct contact may be prevented by surface roughness, a scale of reaction products, or an adsorbed coating of surfactant or vehicle molecules. Even though the interparticle bonding here is weaker than for direct lattice bonds, it can hold such flocs together up to quite high shear. Since these tight flocs are held together over large contact areas, they have a small void fraction.

Weak Flocs

Aggregates and agglomerates have rough surfaces, so when they collide, the area available for direct contact is limited. The bonding energy that can be attained per unit mass is low. Bonding will also be weak if the particles have thick coatings that prevent the particles from getting close enough to attract strongly or if the interparticle forces are inherently weak (as for nonpolar polymer particles dispersed in an organic liquid). Weak flocs usually have rather open structures with high void fractions. Light stirring can redisperse weak flocs, and the weight of sediment in a settling mass can break the bonds between the particles, allowing them to collapse into a more compact configuration.

Tangles

Long fibers have extended, flexible structures that can twist about to become entangled to hold the particles together mechanically. The void fraction of such tangles is generally high. Although the attraction between the fibers may be weak, an essentially infinite time would be required for the random motion in a stirred slurry to bring them into configurations that would enable them to disengage from the tangle. This complex configuration dependence for deagglomeration means that the particles are entropically agglomerated rather than enthalpically agglomerated.

Adsorbed-Vapor Agglomeration

The flow and clumping of hygroscopic powders are critically dependent on the relative humidity. Clumping is dependent on the partial pressure of any vapor that could be adsorbed, but water vapor is most common cause of agglomeration by adsorption. A hygroscopic (water-adsorbing) solid adsorbs water, often as a surface film that increases the bonding between particles. The strength of agglomeration depends on the relative humidity of air and its diffusion into the powder. Since a vapor is best adsorbed or condensed at contact points, fine powders with many contact points per unit mass are more sensitive to humidity than coarse particles are. At high humidities so much moisture is adsorbed that liquid bridges form.

The adsorbed water may dissolve the surface or any residual salts deposited on the surface. If this solution later evaporates, the dissolved material will reprecipitate to form precipitation bonds. Several options that may reduce the sensitivity to humidity are to

  • Chemically treat the surface to make it less hygroscopic.

  • Coat the powder with a small amount of hydrophobic liquid. First check to see that this liquid does not by itself cause unacceptable clumping.

  • Disperse over the core powder a small amount of a hydrophobic shield powder that is at least ten times smaller in diameter than the first. The shields act as an anticaking agent by preventing contact between the surfaces of the core particles. The shield particles are chosen so that they will not condense or sinter.


Liquid-Bridge Agglomerates

Particles may be held together in agglomerates by a liquid that wets the contact points. Some examples are
1) liquid in a filtercake
2) water wetting the particle contacts in a damp storage bin
3) oil drops added to agglomerate coal particles in a coal-water slurry.


Fig. 2.2 -- Shoreline on a Liquid Bridge

When a liquid drop wets the contact point between two spheres of equal diameter dp [m] as in Fig. 3, the shoreline length [m] (one for each sphere) of the solid-liquid-gas contact is

lshore = p dp sin jshore

where jshore [rad] is the angle defined by a line drawn from the particle-particle contact point to one particle's center and then to a point on the shoreline for that particle. The total agglomerative force due to liquid bridging Fagglom [N] depends on jshore, the contact angle q [rad] (the angle between the surface tangent and the liquid tangent at the shoreline), and the surface tension of the liquid gl [N/m]. Rigorous analysis produces two terms that sum to approximately

Fagglom = Fcoh + Fsurf ~ p dp gl cos q

Fcoh is the cohesive (negative) force based on the curvature of the liquid-vapor meniscus. It is a complicated function, but for small values of g, the term

Fcoh ~ Fagglom (1 - sin ji) / cos j

dominates the sum (Hunter 1987 [see reference list] pages 287-290). Fsurf is the component of gl (along the shoreline of both particles) in the direction of the line of particle centers. Fsurf = Fagglom sin2 j and is small until j is rather large. Fagglom depends strongly on the particle diameter and only weakly on the amount of liquid in the meniscus (related to j).



Solid-Bridge Agglomerates

Particles of one material may become cemented together by the solids that precipitate as liquid evaporates during tray drying of wet filtercake or spray drying of a slurry. Because the surface tension causes the last remaining solution to be held as liquid bridges rather than as droplets on particle surfaces, the solids precipitate in the places best suited to cause cementation of the particles into a clump. Many medicinal and agricultural powders use water-soluble binders to provide solid bridges in tablets and granules.