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Tim Freeman“粉体流动”专栏 | 探讨颗粒形状对松装粉体特性的影响

http://www.cphi.cn   2017-12-18 10:20 来源:CPhI制药在线 作者:Tim Freeman

许多粉体供应商意识到颗粒形状会影响粉体行为,或许最重要的是影响流动性,但至今都很难找到任何的定量关系。然而,形状测量以及粉体表征方面现代技术的进步改变了这一局面,如今对该领域的理解正迅速推进。

  探讨颗粒形状对松装粉体特性的影响      

         影响粉体行为的因素有很多。在这篇文章中,我将介绍另一关键颗粒参数 - 形状的重要性。许多粉体供应商意识到颗粒形状会影响粉体行为,或许最重要的是影响流动性,但至今都很难找到任何的定量关系。然而,形状测量以及粉体表征方面现代技术的进步改变了这一局面,如今对该领域的理解正迅速推进。

       粉体流动机制

       若要使粉体流动,颗粒必须相对于彼此运动。许多因素影响着这一运动的容易程度,颗粒形状是最容易通过定性方式理解的因素之一。下图中的颗粒具有高度不规则的形状,容易发生机械咬合。也就是说,它们可以像拼图碎片一样拼凑在一起,对颗粒间的运动产生巨大阻力,这种作用将抑制粉体流动。

图1 - 机械咬合

       图1 - 机械咬合

       右侧颗粒的排列易于发生咬合。但是如果重新排列 (如左图所示),则颗粒更有可能以较低能量交互的方式快速经过彼此。显然,这不过是个概率问题。只有确保颗粒形状更有规律,才能可靠地降低机械咬合的可能性。例如,由近乎球形的颗粒组成的粉体没有机械咬合的可能,若所有其它因素均相同,相比由形状不规则的颗粒组成的粉体更容易流动。

       调查颗粒形状与流动能之间的相关性

       针对两种不同等级乳糖 (Spherolac 100和Flowlac 100) 的近期研究证明,并量化了改变颗粒

       形状的影响。这两种粉体在各个方面都很相似 (包括颗粒尺寸),但在形状上有很大区别。

       Flowlac 100更接近球形,该特征可使用形状参数HS圆形度进行量化,公式如下:

       HS圆形度 = (4 x π x 面积 / 周长) 2

       完美球体的HS圆形度为1,形状越不规则,该值越接近零。在这项研究中,我们使用自动图像分析系统 (Malvern Instruments的Morphologi G3) 测量了两个样品的HS圆形度。结果表明,Flowlac 100的中值为0.91,而相对不规则的Spherolac 100的中值为0.83。

       这两种材料的流动特性均通过动态参数基本流动能 (BFE) 进行量化,该参数使用FT4粉体流变仪® (富瑞曼科技有限公司) 进行测量。在动态粉体表征中,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经过准确测量,生成直接量化材料流动难易程度的流动能值。测量的Flowlac 100的BFE值约为1200mJ,而Spherolac 100的值约为2500mJ,这说明后者的流动性约为前者的一半,完全是由于颗粒形状不同所致。

图2 - 富瑞曼科技有限公司的FT4粉体流变仪®

       图2 - 富瑞曼科技有限公司的FT4粉体流变仪®

       颗粒形状的实际相关性

       颗粒形状与流动性之间的这种关联当然具有非常实用的相关性,因为设计具有所需流动特征的粉体对于有效加工以及产品性能,在许多情况下都是十分必要的。例如,最近的研究表明,颗粒的流动特性与混合性能密切相关。下图介绍了微晶纤维素和苯甲酸钠的流动能如何随桨叶转速而变化,也就是说在较高流速下,粉体是更容易流动,还是更难。

下图介绍了微晶纤维素和苯甲酸钠的流动能如何随桨叶转速而变化

       近似球形颗粒的MCC在较高速率下更容易流动。而苯甲酸钠是具有血小板形状的颗粒,在较高速率下会施加更多阻力。桨叶转速加快会诱导血小板形状的颗粒更主动地互相咬合。在混合试验中,MCC在较高桨叶转速下会更快地混合,而观察到的苯甲酸钠情况则相反,在较低速度下会更成功。根据流动能的数据可以很容易预测出与形状相关的结果。

       这些示例说明了我们如何开始具体了解形状对粉体流动性的影响,以及这些知识如何帮助我们增强控制粉体行为的能力。此类研究标志着颗粒形状开始与颗粒尺寸一起,成为配方设计者常规控制的变量之一。这一进展是以粉体表征和形状测量技术的发展为基础,将增强我们成功实现粉体加工的能力。

       请参阅本系列的其它文章,其中也探讨了颗粒尺寸等其它变量的作用。

       作者简介

Tim Freeman,富瑞曼科技有限公司总经理

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。

       www.freemantech.com.cn

       info@freemantech.com.cn

       

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