粉體本質(zhì)上是三相系統(tǒng)，由固體顆粒，液體（通常是相對(duì)難控制的水）和氣體（通常是空氣）組成。這就是為什么當(dāng)以粉體整體性質(zhì)（例如流動(dòng)性）定義了數(shù)值或者性能時(shí)，僅憑顆粒特征無(wú)法可靠地區(qū)分樣品。它還強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)單測(cè)試技術(shù)的局限性，這些測(cè)試技術(shù)通常方法定義不清，并試圖僅用單個(gè)數(shù)值表征粉體的復(fù)雜性。例如，如果樣品制備時(shí)不消除這些影響，測(cè)試的流動(dòng)性可能和處理后樣品的流動(dòng)性不同。根據(jù)關(guān)注的加工流程不同，這兩個(gè)數(shù)值也可能相關(guān)。

       這些問(wèn)題在e-books1中有詳細(xì)的討論，并且賓夕法尼亞州立大學(xué)2的研究人員在實(shí)踐中進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究也證明了這一點(diǎn)，該研究也是本篇應(yīng)用的基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作涉及將疏水性表面涂層應(yīng)用于精細(xì)的鋁顆粒，并廣泛的表征所得的材料。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明了當(dāng)粒度不變時(shí)粉體流動(dòng)性如何發(fā)生實(shí)際性的改變，并證明了簡(jiǎn)易流動(dòng)測(cè)試技術(shù)在評(píng)估流動(dòng)性變化如何影響工藝性能方面的局限性。

       實(shí)驗(yàn)方法: 表面涂層

       D50（中值粒徑）約為20μm的金屬鋁粉（批號(hào)12-3008；美國(guó)Valimet）通過(guò)氣相沉積工藝用疏水聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）進(jìn)行表面處理。PDMS有末端羥基和約550g/mol的Mn，粘度約為25cSt（美國(guó)Aldrich）。表面處理使用超高純度氮?dú)庾鳛榱鲃?dòng)氣體，在一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)部制造氣相沉積裝置中進(jìn)行。

       將鋁粉以每批300g裝入裝置中，處理前在約100℃的溫度下保持一小時(shí)去除物理吸附水；在之后的整個(gè)過(guò)程中粉體保持在這個(gè)溫度下。PDMS在250℃左右揮發(fā)后與氮?dú)饣旌?，在鋁粉上通約4小時(shí)。對(duì)所得的粉體進(jìn)行各種物理和化學(xué)表征。有關(guān)沉積過(guò)程和所有分析的完整詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)2.

       表面處理的影響：（1）粒度和粒形

       原料和處理過(guò)的鋁粉的粒度數(shù)據(jù)（英國(guó)，馬爾文帕納科，Mastersizer）表明涂層對(duì)粒度分布的影響可以忽略不計(jì)（參見圖1）。由于粒度和粒度分布的差異是流動(dòng)性改變的的一個(gè)常見原因，因此該結(jié)果使表面涂層對(duì)流動(dòng)性的影響研究特別有趣。

圖1-表面處理對(duì)鋁顆粒粒度分布沒有影響

 圖2-原料粉體的掃描電子顯微鏡照片證明氣體霧化顆粒的形狀規(guī)則，表面光滑

       通過(guò)原料鋁粉的掃描電子顯微鏡照片觀察顆粒粒形（見圖2）。這些顆粒表現(xiàn)出典型的氣體霧化金屬粉體的特征，它們有規(guī)則的球形和光滑的表面，并在一些較大的顆粒上存在更小的“衛(wèi)星”顆粒。完整的描述表面涂層的光譜分析超出了本文的研究范圍，但是這些數(shù)據(jù)表明，沉積過(guò)程使鋁顆粒表面覆蓋一層精細(xì)均勻的類硅氧烷層。沉積過(guò)程對(duì)PDMS聚合物骨架的破壞極小，沒有跡象表明它會(huì)改變鋁顆粒的形狀。

       表面處理的影響： (2) 振實(shí)密度的測(cè)試

       測(cè)量原料和處理過(guò)的粉體的振實(shí)密度（美國(guó)，康塔，自動(dòng)振實(shí)密度計(jì)），得到簡(jiǎn)單的流動(dòng)特征。振實(shí)密度的測(cè)量可以得到通過(guò)特定的振動(dòng)次數(shù)引起的密度變化，并通過(guò)豪斯納比率（HR）和卡爾指數(shù)（CI，也稱為卡爾壓縮性指數(shù)）與粉體流動(dòng)行為相關(guān)聯(lián)，其中：

       HR = ρT/ρA

       CI = (ρT-ρA)/ρT * 100

       (ρT 是振實(shí)密度 ， ρA 是松裝密度)

       在這種情況下，以260次/分鐘的速度振動(dòng)粉體，直到密度不再發(fā)生變化（約3000次）。

       原料粉體的HR是1.38，為“A-C”型粉體，該粉體處于粘性和可充氣性之間的過(guò)渡區(qū)間。表面處理使粉體的HR減小為1.24，其剛好處于可充氣性（1.25及以下）之內(nèi)，表明涂層可以提高流動(dòng)性，粉體從非常難流動(dòng)（CI為30）變?yōu)檎Ａ鲃?dòng)（CI為19）。

       這個(gè)結(jié)果的基本原理是顆粒表明吸附的疏水性PDMS可以降低顆粒間的內(nèi)聚力，減小床內(nèi)的空隙空間和團(tuán)聚，增加密度；處理后的粉體比原料粉體的振實(shí)密度高約14%。但是，內(nèi)聚力的變化對(duì)粉體在工藝中如何表現(xiàn)（尤其是流化方面）意味著什么的，這些數(shù)據(jù)的解釋相對(duì)有限。

       表面處理的影響：(3)粉體的動(dòng)態(tài)、整體和剪切性能測(cè)量

       對(duì)原料和處理過(guò)的粉體做動(dòng)態(tài)，整體屬性和剪切測(cè)量（英國(guó)，富瑞曼科技，F(xiàn)T4粉體流變儀），對(duì)表面處理引起的變化做全面且多方面的研究。動(dòng)態(tài)粉體屬性是通過(guò)測(cè)量螺旋槳葉沿粉體樣品以預(yù)定路徑旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在螺旋葉片上的軸向力和旋轉(zhuǎn)力（扭矩）得到的。它們包括：

       基本流動(dòng)能（BFE）：量化受限制的流動(dòng)行為（強(qiáng)制流動(dòng)），在葉片向下移動(dòng)時(shí)測(cè)量

       比流動(dòng)能（SE）：量化無(wú)限制的流動(dòng)行為（重力流動(dòng)），在葉片向上移動(dòng)時(shí)測(cè)量。

       穩(wěn)定性指數(shù) （SI）：量化粉體重復(fù)測(cè)試的物理穩(wěn)定性，是在規(guī)定的測(cè)試循環(huán)次數(shù)后測(cè)得的BFE 與初始BFE 的比率。

       流速指數(shù) （FRI）：量化強(qiáng)制流速變化的影響，是葉片低速（10 mm/s）時(shí)的BFE與初始 BFE（以 100 mm/s 的葉尖速度測(cè)量）比率。

       充氣能比（AR）： 量化粉體對(duì)充氣的靈敏度，是 BFE 與充氣能量 （AE） 的比率，其中 AE 是空氣以規(guī)定的速度（在本例中為0.5mm/s）向上流過(guò)樣品時(shí)測(cè)得的BFE。

       剪切測(cè)量包括測(cè)量將一個(gè)固結(jié)的粉末平面相對(duì)于另一個(gè)固結(jié)的粉末平面剪切時(shí)所需的力，并產(chǎn)生屈服強(qiáng)度（UYS）和流動(dòng)函數(shù)系數(shù)（ffc），這些屬性可以量化粉體對(duì)固結(jié)流動(dòng)的阻力。參考文獻(xiàn)3對(duì)動(dòng)態(tài)、剪切和整體（可壓性和透氣性）測(cè)試方法作了全面說(shuō)明，測(cè)試結(jié)果見表2。

表 1 – 粉體動(dòng)態(tài)，剪切和整體性能測(cè)試的數(shù)據(jù)

       從這些數(shù)據(jù)中首先注意的是，動(dòng)態(tài)測(cè)試表明原料和處理過(guò)的粉體都非常穩(wěn)定（SI值分別為0.95和0.98）。這說(shuō)明表面涂層非常堅(jiān)固，不易被腐蝕或者脫落。兩種粉體也有相似的FRI值。FRI值也與混合性能相關(guān)，更具體地說(shuō)，它對(duì)混合速度敏感[4]，在這種情況下，F(xiàn)RI值不受表面處理的影響。相反，處理后的粉體比原料粉體有更高的BFE，這是因?yàn)樗拿芏雀?，堆積效率更高。粉體被強(qiáng)制且受限移動(dòng)（例如螺旋輸送機(jī)）時(shí)相關(guān)的阻力增加。

       處理后粉體的SE值比原料粉體的明顯低。SE量化重力下的流動(dòng)行為，而不是在BFE測(cè)量過(guò)程中在施加的強(qiáng)制條件，并且它往往受到機(jī)床內(nèi)顆粒機(jī)械聯(lián)鎖和摩擦的強(qiáng)烈影響。因此，SE值進(jìn)一步說(shuō)明，在特定條件下可以提高流動(dòng)性。壓縮性的變化也證明了這一點(diǎn)，當(dāng)受到8kPa的壓縮應(yīng)力時(shí)，處理過(guò)的粉體壓縮性比原料粉體的壓縮性低32%。剪切數(shù)據(jù)與UYS減少約50%的情況一致，這樣粉體的分類（基于ffc）也發(fā)生變化，從“易于流動(dòng)”到表面處理后的“自由流動(dòng)”

圖 3 – 充氣曲線顯示處理后的粉體（實(shí)線）平穩(wěn)地氣化到流化點(diǎn)，而原料粉體（虛線）充氣時(shí)阻力更大

數(shù)據(jù) 4 – 盡管內(nèi)聚力降低，但是處理過(guò)的粉體（實(shí)線）透氣性比原料粉體（虛線）的透氣性更低，這可能與堆積效率變化有關(guān)

       有趣的是，處理后的粉體透氣性（k）低于原料粉體的透氣性，由于高透氣性通常有利于流動(dòng)，這一結(jié)果有些違反直覺。透氣性是通過(guò)測(cè)量在特定的氣流速度下床層兩端的壓降確定的，該壓降是施加的正應(yīng)力的函數(shù)。該結(jié)果的基本原理是，處理后的粉體有效堆積狀態(tài)抑制了空氣通過(guò)床層的傳輸，從而抵消了顆粒之間內(nèi)聚力減小時(shí)的阻力降低。另外，由于原料粉體的可壓縮性更大，因此它的透氣性比處理后粉體的透氣性更依賴于應(yīng)力條件。透氣性與真空、氣動(dòng)傳輸以及填充操作的行為尤其相關(guān)，透氣性低使得料斗卸料流量少和填充效率低。

       結(jié)論

       這項(xiàng)研究清楚的強(qiáng)調(diào)了使用顆粒表征技術(shù)和簡(jiǎn)單的流動(dòng)技術(shù)全面研究粉體行為的局限性。鋁粉的表面涂層并沒有使顆粒粒徑和粒形產(chǎn)生明顯變化，說(shuō)明顆粒表征對(duì)預(yù)測(cè)流動(dòng)性的變化沒有幫助。堆積密度成功地檢測(cè)到表面處理降低了內(nèi)聚力，提高了粉床的填充，增加了密度，改善了流動(dòng)性分類法。然而，這兩種粉體的相對(duì)加工性能意味著什么，特別是兩種粉體對(duì)空氣的反應(yīng)，他們沒有提供足夠的見解。

       事實(shí)證明，動(dòng)態(tài)測(cè)試在這方面是有幫助的，可以明顯區(qū)分原料粉體和處理后粉體的充氣性能。結(jié)果表明，當(dāng)空氣流速增大時(shí)，原始粉體表現(xiàn)不穩(wěn)定，沒有完全流化，而處理后的粉體透氣順暢，在流速約0.30mm/s時(shí)流化。此外，動(dòng)態(tài)測(cè)試提供了關(guān)于粉體穩(wěn)定性的解釋，并強(qiáng)調(diào)這樣一個(gè)事實(shí)，即表面涂層導(dǎo)致某些變量發(fā)生變化——透氣性和基本流動(dòng)能，可能會(huì)損害某些工藝的性能。這些多方面的數(shù)據(jù)全面解釋了密度和內(nèi)聚力的變化在工藝性能中產(chǎn)生的影響，并說(shuō)明了從先進(jìn)的粉體測(cè)試技術(shù)中獲得的價(jià)值。

       參考文獻(xiàn)/延申閱讀

       1 The Freeman Technology e-books ‘An Introduction to Powders’ and ‘Choosing a Powder Tester’ both provide valuable complementary background reading in this area. Access at: https://www.freemantechnology.cn/learn/ebooks

       2 B. Ludwig and J. L. Gray ‘The effect of gas phase polydimethylsiloxane surface treatment of metallic aluminium particles: Surface characterization and flow behavior’. Particuology 30 (2017) 92 – 101.

       3 R. Freeman, Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders — A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell, Powder Technology, 174 (2007) 25-33.

       4 T. Freeman and B. Armstrong ‘Using powder characterisation methods to assess blending behaviour’ White paper available to download at - https://www.freemantech.co.uk/news/using-powder-characterisation-methods-to-assess-blending-behaviour

       致謝

       感謝賓夕法尼亞州立大學(xué)助理研究員Bellamarie Ludwig博士幫助起草本文，同時(shí)感謝材料表征實(shí)驗(yàn)室的Julie Anderson提供圖2的掃描電子顯微鏡圖像。

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(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(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。