在這一系列文章中，我將著眼于傳統(tǒng)粉體測(cè)試工具包能夠多大程度地滿足當(dāng)下粉體加工者的需求。在上一篇文章中，我將振實(shí)密度方法作為討論的重點(diǎn)；現(xiàn)在我們開(kāi)始討論剪切測(cè)試。
剪切測(cè)試起源于Jenike在20世紀(jì)60年代為解決儲(chǔ)存容器卸料問(wèn)題而展開(kāi)的開(kāi)創(chuàng)性工作。開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)首次使用數(shù)值方法確定粉體處理設(shè)備的規(guī)格，為此種設(shè)計(jì)方法提供支持。開(kāi)發(fā)一種設(shè)計(jì)演算法使料斗和料倉(cāng)實(shí)現(xiàn)可控的卸料是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，相關(guān)的工作非常出色地經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。雖然卸料和料斗設(shè)計(jì)仍然是一門(mén)不盡完美的學(xué)科，但是，50年前開(kāi)發(fā)的方法并未大幅改進(jìn)并且仍在使用。
圖1 - 傳統(tǒng)剪切室
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，剪切測(cè)試測(cè)量相對(duì)于一個(gè)粉體平面剪切另一個(gè)固結(jié)平面所需的力。類(lèi)似的方法也用于測(cè)量壁面摩擦 (即結(jié)構(gòu)材料表面與粉體之間的摩擦力)，以提供料斗設(shè)計(jì)所需的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。料斗底部的粉體由于其上方材料的重力作用而固結(jié)，粉體承受此種應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)力傳遞粉床內(nèi)，并且相對(duì)于容器壁面的粉體也會(huì)承受應(yīng)力，因此，這些測(cè)試方法的相關(guān)性是顯而易見(jiàn)的。
構(gòu)想出剪切測(cè)試后的幾十年來(lái)，對(duì)工藝相關(guān)粉體表征的需求已經(jīng)促使剪切測(cè)試的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其初衷。這固然可以理解，但也使得這項(xiàng)技術(shù)的一些局限性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)于粘性粉體而言，剪切測(cè)試最適合，也最精確。對(duì)于粘性的材料，測(cè)得的剪切力相對(duì)較大，但對(duì)于非粘性的樣品，剪切力則逐漸減小。流動(dòng)函數(shù)對(duì)應(yīng)的"自由流動(dòng)"范疇是一個(gè)主要的剪切參數(shù)，涵蓋了廣泛的流動(dòng)行為，但剪切測(cè)試不像動(dòng)態(tài)表征那樣具有區(qū)分性 (參見(jiàn)下圖)。
另一個(gè)無(wú)疑更加重要的問(wèn)題是，剪切測(cè)試期間所應(yīng)用的條件不能代表流化床或重力下料。對(duì)于某些工藝而言，粉體對(duì)空氣的響應(yīng)至關(guān)重要，這也不能通過(guò)剪切分析來(lái)直接研究。更廣泛地說(shuō)，試圖從剪切數(shù)據(jù)中推斷出與測(cè)試環(huán)境明顯不同的條件下的粉體行為，這種做法可能既不精確，又不高效。
本文無(wú)意爭(zhēng)論剪切測(cè)試其設(shè)計(jì)目的和價(jià)值。我也承認(rèn)，除此之外，剪切測(cè)試也在幫助人們深入了解和普遍研究粉體性質(zhì)方面也發(fā)揮著重要的作用。因?yàn)榧羟蟹治鲆呀?jīng)開(kāi)始達(dá)到極限，所以我還是認(rèn)為其他技術(shù) (特別是動(dòng)態(tài)測(cè)試) 更適合表征粉體。認(rèn)識(shí)到這些局限并應(yīng)用最合適的技術(shù)是至關(guān)重要的，通過(guò)此種技術(shù)，加工者能夠?qū)崿F(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。
作者簡(jiǎn)介:
Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司總經(jīng)理
Tim Freeman是粉體表征公司富瑞曼科技有限公司的總經(jīng)理，他自20世紀(jì)90年代末便效力于該公司。他在FT4粉體流變儀®和通用型粉體測(cè)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(guó)薩塞克斯大學(xué)的機(jī)電一體化學(xué)位。他是美國(guó)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(guó)藥學(xué)科學(xué)家協(xié)會(huì) (AAPS) 的"過(guò)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(wèn)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)粉體和散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(guó)藥典 (USP) 通論-物理分析專家委員會(huì) (GC-PA EC) 的成員。
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