在一系列文章中，我將具體介紹對粉體行為產(chǎn)生影響的變量。我從探討顆粒各種特性的作用入手 (請參閱本系列的其它文章："探討顆粒形狀對松裝粉體特性的影響"和"探討顆粒尺寸對松裝粉體特性的影響")，現在我要開(kāi)始探討系統變量 - 濕度。水分能顯著(zhù)影響粉體行為特別是流動(dòng)特性，為了針對具體應用制定有效的控制策略，有必要對其作用進(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。此處面臨的挑戰在于了解粉體對水分吸收的能力，更重要的是，水分如何影響其特征和性能。
粉體流動(dòng)機制
若要使粉體流動(dòng)，其顆粒必須相對于彼此運動(dòng)。人們普遍認為引入水分會(huì )使粉體的流動(dòng)不那么自由，已有機械論觀(guān)點(diǎn)支持這種說(shuō)法。粉體中的水通常會(huì )在顆粒之間形成液橋，這還要受到相對較小的粒間作用力的影響。濕法制粒工藝就是利用這種機制，但若發(fā)生在常規操作中，此橋接會(huì )抑制顆粒運動(dòng)，從而對性能產(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，對于表面粗糙的顆粒，少量的水分可以起到潤滑的作用，讓粉體更加自由地流動(dòng)。水也可以通過(guò)提高電導率來(lái)改進(jìn)靜電帶電對粉體性能的作用。用這種方式消除靜電電荷會(huì )削弱顆粒間粘結力的強度，對流動(dòng)行為產(chǎn)生巨大影響，特別對于粒徑相對較小的粉體。
因為水分會(huì )產(chǎn)生這些截然不同的作用，所以準確測量其影響顯得至關(guān)重要。我們最近在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，發(fā)現動(dòng)態(tài)粉體測試以及松裝粉體整體特性測量所得出的信息特別豐富。
測量濕度的影響
動(dòng)態(tài)粉體測試測量刀頭旋轉穿過(guò)粉體樣品時(shí)作用于刀頭的軸向力和旋轉力以確定流動(dòng)能?；玖鲃?dòng)能 (BFE) 是在刀頭向下穿過(guò)均勻的、低到中等堆積密度的粉體樣品時(shí)測量的流動(dòng)能。但是，動(dòng)態(tài)測量的好處之一是可應用于壓實(shí)、預處理 (如BFE情況)、充氣甚至流化的粉體，以評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，FMC] 水分含量的函數關(guān)系。這些數據是使用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)測量。
動(dòng)態(tài)和透氣性數據敏銳地描述了濕度對MCC的影響，并有助于了解本系統中定義流動(dòng)行為的機制。
結果表現了有趣的、甚至是出人意料的行為，隨著(zhù)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(kāi)始增加。研究過(guò)程中，我們觀(guān)察到樣品有包覆測試容器的傾向，表明它可能發(fā)生靜電充電。這指明了所觀(guān)察行為的基本原理：低濕條件下，水會(huì )提高電導率，減小顆粒間的引力；而在高濕度條件下，顆粒間會(huì )出現毛細管作用，從而增加附著(zhù)力并產(chǎn)生較高的流動(dòng)能。
事實(shí)證明，在測量的松裝粉體特性中，透氣性數據的信息最為豐富，明顯傾向于支持所提出的假設。透氣性隨水分含量的穩定增長(cháng)表明系統最初由于靜電放電而導致粘性逐漸變弱，之后才形成團聚物，不斷增加。
濕度 - 是好是壞？
這些結果表明水分對粉體流動(dòng)行為并不總是不利的，并強調進(jìn)行適當的粉體測試以量化材料對水分敏感度的重要性。MCC顯示的特征范圍 (不能根據前幾條原則來(lái)預測) 是將樣品暴露于相對濕度為25%-75%時(shí)的結果，因此這種材料性能的變化很容易發(fā)生在常規的工業(yè)操作中。
同樣重要的是，這些結果表明了不同特性如何幫助鑒別控制行為的機制并使其合理化。我們富瑞曼科技有限公司，首選方法是測量剪切、整體和動(dòng)態(tài)特性以解決加工問(wèn)題；但在本例中，剪切數據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)和透氣性數據提供了評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計和優(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?和通用型粉體測試儀的設計和持續發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。Tim與各專(zhuān)業(yè)機構合作并參與行業(yè)活動(dòng)，對促進(jìn)粉體加工領(lǐng)域的發(fā)展做出了杰出貢獻。
Tim擁有英國薩塞克斯大學(xué)的機電一體化學(xué)位。他是美國結構化有機微粒系統工程研究中心 (Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems) 許多項目組的導師，并經(jīng)常組織粉體表征和加工領(lǐng)域的行業(yè)會(huì )議。作為美國藥學(xué)科學(xué)家協(xié)會(huì ) (AAPS) 的"過(guò)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(wèn)委員會(huì )的成員，以及《歐洲藥物評論》雜志的行業(yè)專(zhuān)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負責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，以及美國藥典 (USP) 通論 - 物理分析專(zhuān)家委員會(huì ) (GC-PA EC) 的成員。
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