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Tim Freeman“粉体流动”专栏 | 探讨湿度对松装粉体特性的影响

http://www.cphi.cn   2018-01-02 10:11 来源:CPhI制药在线 作者:Tim Freeman

水分能显著影响粉体行为特别是流动特性,为了针对具体应用制定有效的控制策略,有必要对其作用进行量化。去除加工环境空气中的水分或粉体自身所含的水分可能成本不菲,并且必须与可接受的加工性能保持一致。此处面临的挑战在于了解粉体对水分吸收的能力,更重要的是,水分如何影响其特征和性能。

       探讨湿度对松装粉体特性的影响

         在一系列文章中,我将具体介绍对粉体行为产生影响的变量。我从探讨颗粒各种特性的作用入手 (请参阅本系列的其它文章:"探讨颗粒形状对松装粉体特性的影响"和"探讨颗粒尺寸对松装粉体特性的影响"),现在我要开始探讨系统变量 - 湿度。水分能显著影响粉体行为特别是流动特性,为了针对具体应用制定有效的控制策略,有必要对其作用进行量化。去除加工环境空气中的水分或粉体自身所含的水分可能成本不菲,并且必须与可接受的加工性能保持一致。此处面临的挑战在于了解粉体对水分吸收的能力,更重要的是,水分如何影响其特征和性能。

       粉体流动机制

       若要使粉体流动,其颗粒必须相对于彼此运动。人们普遍认为引入水分会使粉体的流动不那么自由,已有机械论观点支持这种说法。粉体中的水通常会在颗粒之间形成液桥,这还要受到相对较小的粒间作用力的影响。湿法制粒工艺就是利用这种机制,但若发生在常规操作中,此桥接会抑制颗粒运动,从而对性能产生不利影响。

图1 - 液桥

       图1 - 液桥

       相反,有时水分会改善流动行为。例如,对于表面粗糙的颗粒,少量的水分可以起到润滑的作用,让粉体更加自由地流动。水也可以通过提高电导率来改进静电带电对粉体性能的作用。用这种方式消除静电电荷会削弱颗粒间粘结力的强度,对流动行为产生巨大影响,特别对于粒径相对较小的粉体。

       因为水分会产生这些截然不同的作用,所以准确测量其影响显得至关重要。我们最近在该领域进行了研究,发现动态粉体测试以及松装粉体整体特性测量所得出的信息特别丰富。

       测量湿度的影响

       动态粉体测试测量刀头旋转穿过粉体样品时作用于刀头的轴向力和旋转力以确定流动能。基本流动能 (BFE) 是在刀头向下穿过均匀的、低到中等堆积密度的粉体样品时测量的流动能。但是,动态测量的好处之一是可应用于压实、预处理 (如BFE情况)、充气甚至流化的粉体,以评估粉体在不同加工环境中的行为。

       下图表明了BFE、充气能和透气性的变化与微晶纤维素 (MCC) [PH200,FMC] 水分含量的函数关系。这些数据是使用FT4粉体流变仪TM生成,充气能是在低气流流速 (2mm/s) 向上流经样品以便尽可能减少水分损失时测量。

动态和透气性数据敏锐地描述了湿度对MCC的影响,并有助于了解本系统中定义流动行为的机制。

       动态和透气性数据敏锐地描述了湿度对MCC的影响,并有助于了解本系统中定义流动行为的机制。

       结果表现了有趣的、甚至是出人意料的行为,随着水分含量从最初的干燥条件不断增加,BFE和充气能由最小值开始增加。研究过程中,我们观察到样品有包覆测试容器的倾向,表明它可能发生静电充电。这指明了所观察行为的基本原理:低湿条件下,水会提高电导率,减小颗粒间的引力;而在高湿度条件下,颗粒间会出现毛细管作用,从而增加附着力并产生较高的流动能。

       事实证明,在测量的松装粉体特性中,透气性数据的信息最为丰富,明显倾向于支持所提出的假设。透气性随水分含量的稳定增长表明系统最初由于静电放电而导致粘性逐渐变弱,之后才形成团聚物,不断增加。

       湿度 - 是好是坏?

       这些结果表明水分对粉体流动行为并不总是不利的,并强调进行适当的粉体测试以量化材料对水分敏感度的重要性。MCC显示的特征范围 (不能根据前几条原则来预测) 是将样品暴露于相对湿度为25%-75%时的结果,因此这种材料性能的变化很容易发生在常规的工业操作中。

       同样重要的是,这些结果表明了不同特性如何帮助鉴别控制行为的机制并使其合理化。我们富瑞曼科技有限公司,首选方法是测量剪切、整体和动态特性以解决加工问题;但在本例中,剪切数据和松装密度的变化均不能可靠地鉴别粉体行为的关键变化。动态和透气性数据提供了评估湿度影响以及工艺相关的方式所需的信息,并可用于支持有效的工艺设计和优化。

       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。

       www.freemantech.com.cn

       info@freemantech.com.cn

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