随着制造业的快速发展,越来越多应用都涉及到粉体。据不完全统计,在医药产品中固体药物制剂约占70%~80%,其他工业产品约有25%涉及颗粒。
由于粉体颗粒之间存在作用力滞后性,粉体会呈现出许多不同的状态。因此粉体流动性的研究便成为联系粉体材料性质与许多关于粉体技术的单元操作的关键纽带。
那么粉体的流动性该如何表征?
首先要确定粉体的定义及其分类。
粉体是由大量颗粒及颗粒间的空隙所构成的集合体。颗粒是构成粉体的最小单元,工程研究的对象多为粉体,实则研究的对象却是微观的颗粒。
粉体的构成应该满足以下3个条件:
1)微观的基本单元是小固体颗粒;
2)宏观上是大量的颗粒的集合体;
3)颗粒之间有相互作用。
粉体可按照成因、制备方法、颗粒分散状态、颗粒大小等进行分类。1973年Geldart根据多年对颗粒大小流化特性的研究,将颗粒的流化特性与颗粒平均径的关系分成A、B、C和D四大类。应用较为广泛。
A组颗粒:尺寸较小,颗粒一般颗粒的平均粒径<100μm,具有很好的流态化特征,气泡尺寸较小,气-固接触效率高;在工业上使用时应尽可能选用这类颗粒。在石化行业中的催化裂化装置上首先被使用,在这个行业中,催化剂中必须含有一定量的小颗粒,小于44μm被称为关键组分。
B组颗粒:尺寸较大,颗粒一般颗粒的平均粒径为40μm-500μm,气固尺寸接触效率低,颗粒不易循环;这类颗粒在工业上应用也较多,如醋酸乙烯、农药百菌清和苯酐行业都有使用。
C组颗粒:尺寸小,通常<30μm。由于颗粒间的作用力远大于颗粒的重力,颗粒表现为一定的团聚性而不易流态化;这类颗粒在工业上很少应用。
D组颗粒:指粒径>600μm的颗粒。如谷物、铅粒等。这类颗粒在工业上,大多实际应用于物料的干燥和煤燃烧。
其次要了解影响粉体流动性的因素。
粉体之所以流动,本质是粉体中粒子受到不平衡的力。粒子的作用力有重力、颗粒间的黏附力、摩擦力、静电力等,对粉体流动影响最大的是重力和颗粒间的黏附力。
粉体流动性的主要表征方法
1、Carr流动性指数法
粉体流动性的测量方法很多,很长一段时期都是简单地根据粉体的休止角、振实密度来预测粉体的流动性能,但是这些方法所考虑的因素都较为单一,带有较强的经验性,往往实际操作中并不理想,难以很好地描述粉体流动性。后来Carr通过对种粉体试样的测定,提出了一套比较全面的表征粉体流动情况的办法,叫作流动性指数法。
该方法通过对粉体的休止角、压缩率、平板角、凝集度、振实密度等指标进行测定,将流动性定为100分,上述每项,25分,将4项得分之和分为7档。得分越高流动性越好。一般来说总得分高于80分不会堵结,低于60分则一般会搭桥。目前应用范围很广,且已有定型仪器,如日本细川密克朗公司的粉体综合特性测试仪。
2、Jenike法
Jenike法测试手段最早用于料仓设计中,现在它在测试粉体物质的一般性能中发挥着越来越重要的作用。是通过粉体样品的流动函数、壁面摩擦、松装密度、时间固结等方面对流动性进行表征。
但Jenike法设计参数较多,计算量大,不适用于通常状况下的研发、实验室及品质管控。
3、转鼓法
转鼓法是指粉体颗粒填充转鼓中让其缓慢转动,测定固定转速下每旋转一圈颗粒发生坍塌的次数,次数越大,流动性越好;反之越小,流动性越差。此方法反映了颗粒流动的稳定性、临界转变及坍塌规模和质量流率。
4、多元分析法
多元分析方法是研究多个自变量与因变量相互关系的一组统计理论和方法,主成分分析是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标的分析方法,其核心是保证在原始数据信息丢失最小的情况下,对原始数据中有多个变量,即有多个主成分时,实际只考虑贡献率最大方差最大的主成分。