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?？刂品垠w特性，尤其是流動(dòng)性對于有效地加工而言必不可少，而通過(guò)對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
顆粒尺寸對松裝粉體特性的作用主要源于其對顆粒間結合強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。當粉體需要在重力作用下流動(dòng)時(shí) (與強制流動(dòng)形成對照)，正如許多工藝環(huán)境中那樣，“mg”量相對于限制性顆粒間力“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(zhù)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。結果產(chǎn)生一種粘性更大的松裝材料，一般說(shuō)來(lái)，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，更精細更粘的粉體具有更強的顆粒間力使它們更容易形成團聚物“結構”，從而使空氣滯留在松裝粉體中。堆積行為的這些差異對粉體的流動(dòng)特性具有顯著(zhù)影響。
對粉體流動(dòng)性的影響
粉體流動(dòng)性可通過(guò)測量流動(dòng)能直接量化。通過(guò)測量在刀頭旋轉穿過(guò)粉體樣品時(shí) 作用于刀頭的軸向力和旋轉力推導出的動(dòng)態(tài)粉體特性。比流動(dòng)能 (SE) 是通過(guò)向上旋轉刀頭穿過(guò)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)模式的應用。
為了更詳細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)能測量數據與精細研磨至20微米Dv50的乳糖的等效數據進(jìn)行比較。
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噴霧干燥乳糖 |
精細研磨乳糖 |
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比流動(dòng)能量 (mJ/g) |
4.8 |
9.6 |
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基本流動(dòng)能量 (mJ) |
1200 |
635 |
SE值反映在無(wú)約束情況下或在低應力環(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?，正如所預料的那樣，精細研磨的乳糖粘性更大，SE相應地更高。
BFE結果則顯示了一種不同的趨勢，表明在強制條件下，比如在擠壓或強制流動(dòng)充模時(shí)適用更精細的乳糖更容易流動(dòng)。這一觀(guān)察結果是由于兩個(gè)顆粒層中的結構和堆積的差異所造成，與粘附力無(wú)關(guān)。由更精細材料組成的粒層由于其中滯留的空氣吸引刀頭運動(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(guò) (假設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 )對壓實(shí)作用產(chǎn)生相當大的阻力。較大顆粒相互接觸并且很容易咬合，并且沒(méi)有滯留的空氣來(lái)緩沖刀頭運動(dòng)。結果導致BFE要高得多。在對樣品杯中的兩種不同材料施加垂直載荷時(shí)考慮觀(guān)察到的阻力，便可以形象地呈現這種機制。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(jiàn)解，并強調了在與粉體處理方式相關(guān)的條件下表征粉體的重要性。這些結果說(shuō)明了不同類(lèi)型的粉體根據誘導其流動(dòng)的方式表現出的明顯不同的流動(dòng)行為。
現在已能可靠的顆粒尺寸信息，因此顆粒尺寸對粉體行為的影響相對較好理解和領(lǐng)會(huì )，正如本次討論所述。
請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(jiǎn)介：
Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司總經(jīng)理
自20世紀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計和持續發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。Tim與各專(zhuān)業(yè)機構合作并參與行業(yè)活動(dòng)，對促進(jìn)粉體加工領(lǐng)域的發(fā)展做出了杰出貢獻。
Tim擁有英國薩塞克斯大學(xué)的機電一體化學(xué)位。他是美國結構化有機微粒系統工程研究中心 (Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems) 許多項目組的導師，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(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《歐洲藥物評論》雜志的行業(yè)專(zhuān)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負責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(zhuān)家委員會(huì ) (GC-PA EC) 的成員。
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