在一系列文章中，我將具體介紹對(duì)粉體行為產(chǎn)生影響的變量。我從探討顆粒各種特性的作用入手 (請(qǐng)參閱本系列的其它文章："探討顆粒形狀對(duì)松裝粉體特性的影響"和"探討顆粒尺寸對(duì)松裝粉體特性的影響")，現(xiàn)在我要開始探討系統(tǒng)變量 - 濕度。水分能顯著影響粉體行為特別是流動(dòng)特性，為了針對(duì)具體應(yīng)用制定有效的控制策略，有必要對(duì)其作用進(jìn)行量化。去除加工環(huán)境空氣中的水分或粉體自身所含的水分可能成本不菲，并且必須與可接受的加工性能保持一致。此處面臨的挑戰(zhàn)在于了解粉體對(duì)水分吸收的能力，更重要的是，水分如何影響其特征和性能。
粉體流動(dòng)機(jī)制
若要使粉體流動(dòng)，其顆粒必須相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)。人們普遍認(rèn)為引入水分會(huì)使粉體的流動(dòng)不那么自由，已有機(jī)械論觀點(diǎn)支持這種說法。粉體中的水通常會(huì)在顆粒之間形成液橋，這還要受到相對(duì)較小的粒間作用力的影響。濕法制粒工藝就是利用這種機(jī)制，但若發(fā)生在常規(guī)操作中，此橋接會(huì)抑制顆粒運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)性能產(chǎn)生不利影響。
圖1 - 液橋
相反，有時(shí)水分會(huì)改善流動(dòng)行為。例如，對(duì)于表面粗糙的顆粒，少量的水分可以起到潤(rùn)滑的作用，讓粉體更加自由地流動(dòng)。水也可以通過提高電導(dǎo)率來改進(jìn)靜電帶電對(duì)粉體性能的作用。用這種方式消除靜電電荷會(huì)削弱顆粒間粘結(jié)力的強(qiáng)度，對(duì)流動(dòng)行為產(chǎn)生巨大影響，特別對(duì)于粒徑相對(duì)較小的粉體。
因?yàn)樗謺?huì)產(chǎn)生這些截然不同的作用，所以準(zhǔn)確測(cè)量其影響顯得至關(guān)重要。我們最近在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)粉體測(cè)試以及松裝粉體整體特性測(cè)量所得出的信息特別豐富。
測(cè)量濕度的影響
動(dòng)態(tài)粉體測(cè)試測(cè)量刀頭旋轉(zhuǎn)穿過粉體樣品時(shí)作用于刀頭的軸向力和旋轉(zhuǎn)力以確定流動(dòng)能?；玖鲃?dòng)能 (BFE) 是在刀頭向下穿過均勻的、低到中等堆積密度的粉體樣品時(shí)測(cè)量的流動(dòng)能。但是，動(dòng)態(tài)測(cè)量的好處之一是可應(yīng)用于壓實(shí)、預(yù)處理 (如BFE情況)、充氣甚至流化的粉體，以評(píng)估粉體在不同加工環(huán)境中的行為。
下圖表明了BFE、充氣能和透氣性的變化與微晶纖維素 (MCC) [PH200，F(xiàn)MC] 水分含量的函數(shù)關(guān)系。這些數(shù)據(jù)是使用FT4粉體流變儀TM生成，充氣能是在低氣流流速 (2mm/s) 向上流經(jīng)樣品以便盡可能減少水分損失時(shí)測(cè)量。
動(dòng)態(tài)和透氣性數(shù)據(jù)敏銳地描述了濕度對(duì)MCC的影響，并有助于了解本系統(tǒng)中定義流動(dòng)行為的機(jī)制。
結(jié)果表現(xiàn)了有趣的、甚至是出人意料的行為，隨著水分含量從最初的干燥條件不斷增加，BFE和充氣能由最小值開始增加。研究過程中，我們觀察到樣品有包覆測(cè)試容器的傾向，表明它可能發(fā)生靜電充電。這指明了所觀察行為的基本原理：低濕條件下，水會(huì)提高電導(dǎo)率，減小顆粒間的引力；而在高濕度條件下，顆粒間會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管作用，從而增加附著力并產(chǎn)生較高的流動(dòng)能。
事實(shí)證明，在測(cè)量的松裝粉體特性中，透氣性數(shù)據(jù)的信息最為豐富，明顯傾向于支持所提出的假設(shè)。透氣性隨水分含量的穩(wěn)定增長(zhǎng)表明系統(tǒng)最初由于靜電放電而導(dǎo)致粘性逐漸變?nèi)酰蟛判纬蓤F(tuán)聚物，不斷增加。
濕度 - 是好是壞？
這些結(jié)果表明水分對(duì)粉體流動(dòng)行為并不總是不利的，并強(qiáng)調(diào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆垠w測(cè)試以量化材料對(duì)水分敏感度的重要性。MCC顯示的特征范圍 (不能根據(jù)前幾條原則來預(yù)測(cè)) 是將樣品暴露于相對(duì)濕度為25%-75%時(shí)的結(jié)果，因此這種材料性能的變化很容易發(fā)生在常規(guī)的工業(yè)操作中。
同樣重要的是，這些結(jié)果表明了不同特性如何幫助鑒別控制行為的機(jī)制并使其合理化。我們富瑞曼科技有限公司，首選方法是測(cè)量剪切、整體和動(dòng)態(tài)特性以解決加工問題；但在本例中，剪切數(shù)據(jù)和松裝密度的變化均不能可靠地鑒別粉體行為的關(guān)鍵變化。動(dòng)態(tài)和透氣性數(shù)據(jù)提供了評(píng)估濕度影響以及工藝相關(guān)的方式所需的信息，并可用于支持有效的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
作者簡(jiǎn)介：
Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司總經(jīng)理
自20世紀(jì)90年代末，Tim Freeman作為粉體表征公司富瑞曼科技有限公司的總經(jīng)理，在FT4粉體流變儀?和通用型粉體測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。Tim與各專業(yè)機(jī)構(gòu)合作并參與行業(yè)活動(dòng)，對(duì)促進(jìn)粉體加工領(lǐng)域的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。
Tim擁有英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的機(jī)電一體化學(xué)位。他是美國(guó)結(jié)構(gòu)化有機(jī)微粒系統(tǒng)工程研究中心 (Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems) 許多項(xiàng)目組的導(dǎo)師，并經(jīng)常組織粉體表征和加工領(lǐng)域的行業(yè)會(huì)議。作為美國(guó)藥學(xué)科學(xué)家協(xié)會(huì) (AAPS) 的"過程分析技術(shù)"焦點(diǎn)小組的前任主席，Tim是制藥技術(shù)編輯顧問委員會(huì)的成員，以及《歐洲藥物評(píng)論》雜志的行業(yè)專家組成員。Tim還是化學(xué)工程師學(xué)會(huì)"顆粒技術(shù)"特別興趣小組的委員會(huì)成員、ASTM負(fù)責(zé)粉體和松裝固體的特性和處理的D18.24小組委員會(huì)副主席，以及美國(guó)藥典 (USP) 通論 - 物理分析專家委員會(huì) (GC-PA EC) 的成員。
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