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(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。
粉體流動機制
若要使粉體流動，其顆粒必須相對于彼此運動。人們普遍認為引入水分會使粉體的流動不那么自由，已有機械論觀點支持這種說法。粉體中的水通常會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(guī)操作中，此橋接會抑制顆粒運動，從而對性能產(chǎn)生不利影響。
圖1 - 液橋
相反，有時水分會改善流動行為。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。水也可以通過提高電導率來改進靜電帶電對粉體性能的作用。用這種方式消除靜電電荷會削弱顆粒間粘結(jié)力的強度，對流動行為產(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)域進行了研究，發(fā)現(xiàn)動態(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
動態(tài)粉體測試測量刀頭旋轉(zhuǎn)穿過粉體樣品時作用于刀頭的軸向力和旋轉(zhuǎn)力以確定流動能?；玖鲃幽?(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測量的流動能。但是，動態(tài)測量的好處之一是可應用于壓實、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，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測量。
動態(tài)和透氣性數(shù)據(jù)敏銳地描述了濕度對MCC的影響，并有助于了解本系統(tǒng)中定義流動行為的機制。
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，顆粒間會出現(xiàn)毛細管作用，從而增加附著力并產(chǎn)生較高的流動能。
事實證明，在測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。透氣性隨水分含量的穩(wěn)定增長表明系統(tǒng)最初由于靜電放電而導致粘性逐漸變?nèi)酰蟛判纬蓤F聚物，不斷增加。
濕度 - 是好是壞？
這些結(jié)果表明水分對粉體流動行為并不總是不利的，并強調(diào)進行適當?shù)姆垠w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(jù)前幾條原則來預測) 是將樣品暴露于相對濕度為25%-75%時的結(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。動態(tài)和透氣性數(shù)據(jù)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(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。Tim與各專業(yè)機構(gòu)合作并參與行業(yè)活動，對促進粉體加工領(lǐng)域的發(fā)展做出了杰出貢獻。
Tim擁有英國薩塞克斯大學的機電一體化學位。他是美國結(jié)構(gòu)化有機微粒系統(tǒng)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)會議。作為美國藥學科學家協(xié)會 (AAPS) 的"過程分析技術(shù)"焦點小組的前任主席，Tim是制藥技術(shù)編輯顧問委員會的成員，以及《歐洲藥物評論》雜志的行業(yè)專家組成員。Tim還是化學工程師學會"顆粒技術(shù)"特別興趣小組的委員會成員、ASTM負責粉體和松裝固體的特性和處理的D18.24小組委員會副主席，以及美國藥典 (USP) 通論 - 物理分析專家委員會 (GC-PA EC) 的成員。
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