作者 Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司總經(jīng)理
影響粉體行為的因素有很多。控制粉體特性，尤其是流動(dòng)性對(duì)于有效地加工而言必不可少，而通過對(duì)要更改的變量及其更改方式稍作了解，便可非常方便地進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)所需行為。在這篇文章中，我們將重點(diǎn)探討顆粒尺寸，這是最廣為人知的影響粉體流動(dòng)特性的因素之一。
減小顆粒尺寸的作用
顆粒尺寸對(duì)松裝粉體特性的作用主要源于其對(duì)顆粒間結(jié)合強(qiáng)度與顆粒的重力之間關(guān)系的影響。
上面的示意圖顯示了作用于三個(gè)相鄰顆粒的力以及相互之間的作用力。當(dāng)粉體需要在重力作用下流動(dòng)時(shí) (與強(qiáng)制流動(dòng)形成對(duì)照)，正如許多工藝環(huán)境中那樣，“mg”量相對(duì)于限制性顆粒間力“f”的大小決定是否發(fā)生流動(dòng)。如果重力作用相對(duì)于顆粒間力而言較大，則顆?？梢砸苿?dòng)，材料整體可以流動(dòng)。但是，隨著顆粒尺寸減小，顆粒質(zhì)量也會(huì)減小，從而直接影響作用于每個(gè)顆粒的重力。結(jié)果產(chǎn)生一種粘性更大的松裝材料，一般說來，正是由于這個(gè)原因，小粒徑的粉體往往更有粘性。
在堆積行為方面，大顆粒往往會(huì)緊密堆積在一起并形成有大量空隙但夾雜很少空氣的粒層，其中的各個(gè)顆粒之間都相互接觸。另一方面，更精細(xì)更粘的粉體具有更強(qiáng)的顆粒間力使它們更容易形成團(tuán)聚物“結(jié)構(gòu)”，從而使空氣滯留在松裝粉體中。堆積行為的這些差異對(duì)粉體的流動(dòng)特性具有顯著影響。
對(duì)粉體流動(dòng)性的影響
粉體流動(dòng)性可通過測量流動(dòng)能直接量化。通過測量在刀頭旋轉(zhuǎn)穿過粉體樣品時(shí) 作用于刀頭的軸向力和旋轉(zhuǎn)力推導(dǎo)出的動(dòng)態(tài)粉體特性。比流動(dòng)能 (SE) 是通過向上旋轉(zhuǎn)刀頭穿過樣品并施加溫和的提升動(dòng)作而測量，而基本流動(dòng)能 (BFE) 測量涉及刀頭向下橫切以及壓實(shí)流動(dòng)模式的應(yīng)用。
為了更詳細(xì)地探討顆粒尺寸如何影響流動(dòng)行為，我們將Dv50為130微米的噴霧干燥乳糖的流動(dòng)能測量數(shù)據(jù)與精細(xì)研磨至20微米Dv50的乳糖的等效數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
|
|
噴霧干燥乳糖 |
精細(xì)研磨乳糖 |
|
比流動(dòng)能量 (mJ/g) |
4.8 |
9.6 |
|
基本流動(dòng)能量 (mJ) |
1200 |
635 |
SE值反映在無約束情況下或在低應(yīng)力環(huán)境中 (比如在低剪切混合或定劑量灌裝泡罩期間) 的粉體流動(dòng)情況，并且往往與粘性密切相關(guān)?；谙惹案攀龅脑?，正如所預(yù)料的那樣，精細(xì)研磨的乳糖粘性更大，SE相應(yīng)地更高。
BFE結(jié)果則顯示了一種不同的趨勢(shì)，表明在強(qiáng)制條件下，比如在擠壓或強(qiáng)制流動(dòng)充模時(shí)適用更精細(xì)的乳糖更容易流動(dòng)。這一觀察結(jié)果是由于兩個(gè)顆粒層中的結(jié)構(gòu)和堆積的差異所造成，與粘附力無關(guān)。由更精細(xì)材料組成的粒層由于其中滯留的空氣吸引刀頭運(yùn)動(dòng)?？諝馐诡w粒層局部壓縮，所以只需較少能量即可讓刀頭穿過 (假設(shè)滯留的空氣只是在顆粒層中重新分布，而未被擠出)。
相比之下，噴霧干燥乳糖會(huì)對(duì)壓實(shí)作用產(chǎn)生相當(dāng)大的阻力。較大顆粒相互接觸并且很容易咬合，并且沒有滯留的空氣來緩沖刀頭運(yùn)動(dòng)。結(jié)果導(dǎo)致BFE要高得多。在對(duì)樣品杯中的兩種不同材料施加垂直載荷時(shí)考慮觀察到的阻力，便可以形象地呈現(xiàn)這種機(jī)制。粘性更大的面粉樣品很容易壓縮，而沙子則會(huì)極大地抵制運(yùn)動(dòng)。在受限的環(huán)境中，沙子更不容易流動(dòng)。
相關(guān)測量
上述結(jié)果提供了一些關(guān)于顆粒尺寸如何影響粉體流動(dòng)行為的見解，并強(qiáng)調(diào)了在與粉體處理方式相關(guān)的條件下表征粉體的重要性。這些結(jié)果說明了不同類型的粉體根據(jù)誘導(dǎo)其流動(dòng)的方式表現(xiàn)出的明顯不同的流動(dòng)行為。
現(xiàn)在已能可靠的顆粒尺寸信息，因此顆粒尺寸對(duì)粉體行為的影響相對(duì)較好理解和領(lǐng)會(huì)，正如本次討論所述。
請(qǐng)參閱本系列的其它文章，其中還探討了顆粒形狀等其它變量的作用。
作者簡介：
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擁有英國薩塞克斯大學(xué)的機(jī)電一體化學(xué)位。他是美國結(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。作為美國藥學(xué)科學(xué)家協(xié)會(huì) (AAPS) 的“過程分析技術(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，以及美國藥典 (USP)通論 — 物理分析專家委員會(huì) (GC-PA EC) 的成員。
合作咨詢
肖女士
021-33392297
Kelly.Xiao@imsinoexpo.com
2006-2024 上海博華國際展覽有限公司版權(quán)所有（保留一切權(quán)利）
滬ICP備05034851號(hào)-57
