作者 Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司总经理
影响粉体行为的因素有很多。控制粉体特性，尤其是流动性对于有效地加工而言必不可少，而通过对要更改的变量及其更改方式稍作了解，便可非常方便地进行控制，从而实现所需行为。在这篇文章中，我们将重点探讨颗粒尺寸，这是最广为人知的影响粉体流动特性的因素之一。
减小颗粒尺寸的作用
颗粒尺寸对松装粉体特性的作用主要源于其对颗粒间结合强度与颗粒的重力之间关系的影响。
上面的示意图显示了作用于三个相邻颗粒的力以及相互之间的作用力。当粉体需要在重力作用下流动时 (与强制流动形成对照)，正如许多工艺环境中那样，“mg”量相对于限制性颗粒间力“f”的大小决定是否发生流动。如果重力作用相对于颗粒间力而言较大，则颗粒可以移动，材料整体可以流动。但是，随着颗粒尺寸减小，颗粒质量也会减小，从而直接影响作用于每个颗粒的重力。结果产生一种粘性更大的松装材料，一般说来，正是由于这个原因，小粒径的粉体往往更有粘性。
在堆积行为方面，大颗粒往往会紧密堆积在一起并形成有大量空隙但夹杂很少空气的粒层，其中的各个颗粒之间都相互接触。另一方面，更精细更粘的粉体具有更强的颗粒间力使它们更容易形成团聚物“结构”，从而使空气滞留在松装粉体中。堆积行为的这些差异对粉体的流动特性具有显著影响。
对粉体流动性的影响
粉体流动性可通过测量流动能直接量化。通过测量在刀头旋转穿过粉体样品时 作用于刀头的轴向力和旋转力推导出的动态粉体特性。比流动能 (SE) 是通过向上旋转刀头穿过样品并施加温和的提升动作而测量，而基本流动能 (BFE) 测量涉及刀头向下横切以及压实流动模式的应用。
为了更详细地探讨颗粒尺寸如何影响流动行为，我们将Dv50为130微米的喷雾干燥乳糖的流动能测量数据与精细研磨至20微米Dv50的乳糖的等效数据进行比较。
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喷雾干燥乳糖 |
精细研磨乳糖 |
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比流动能量 (mJ/g) |
4.8 |
9.6 |
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基本流动能量 (mJ) |
1200 |
635 |
SE值反映在无约束情况下或在低应力环境中 (比如在低剪切混合或定剂量灌装泡罩期间) 的粉体流动情况，并且往往与粘性密切相关。基于先前概述的原因，正如所预料的那样，精细研磨的乳糖粘性更大，SE相应地更高。
BFE结果则显示了一种不同的趋势，表明在强制条件下，比如在挤压或强制流动充模时适用更精细的乳糖更容易流动。这一观察结果是由于两个颗粒层中的结构和堆积的差异所造成，与粘附力无关。由更精细材料组成的粒层由于其中滞留的空气吸引刀头运动。空气使颗粒层局部压缩，所以只需较少能量即可让刀头穿过 (假设滞留的空气只是在颗粒层中重新分布，而未被挤出)。
相比之下，喷雾干燥乳糖会对压实作用产生相当大的阻力。较大颗粒相互接触并且很容易咬合，并且没有滞留的空气来缓冲刀头运动。结果导致BFE要高得多。在对样品杯中的两种不同材料施加垂直载荷时考虑观察到的阻力，便可以形象地呈现这种机制。粘性更大的面粉样品很容易压缩，而沙子则会极大地抵制运动。在受限的环境中，沙子更不容易流动。
相关测量
上述结果提供了一些关于颗粒尺寸如何影响粉体流动行为的见解，并强调了在与粉体处理方式相关的条件下表征粉体的重要性。这些结果说明了不同类型的粉体根据诱导其流动的方式表现出的明显不同的流动行为。
现在已能可靠的颗粒尺寸信息，因此颗粒尺寸对粉体行为的影响相对较好理解和领会，正如本次讨论所述。
请参阅本系列的其它文章，其中还探讨了颗粒形状等其它变量的作用。
作者简介：
Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司总经理
自20世纪90年代末，Tim Freeman作为粉体表征公司富瑞曼科技有限公司的总经理，在FT4粉体流变仪®和通用型粉体测试仪的设计和持续发展方面发挥了重要作用。Tim与各专业机构合作并参与行业活动，对促进粉体加工领域的发展做出了杰出贡献。
Tim拥有英国萨塞克斯大学的机电一体化学位。他是美国结构化有机微粒系统工程研究中心 (Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems) 许多项目组的导师，并经常组织粉体表征和加工领域的行业会议。作为美国药学科学家协会 (AAPS) 的“过程分析技术”焦点小组的前任主席，Tim是制药技术编辑顾问委员会的成员，以及《欧洲药物评论》杂志的行业专家组成员。Tim还是化学工程师学会“颗粒技术”特别兴趣小组的委员会成员、ASTM负责粉体和松装固体的特性和处理的D18.24小组委员会副主席，以及美国药典 (USP)通论 — 物理分析专家委员会 (GC-PA EC) 的成员。
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