不均勻結(jié)塊（結(jié)殼）

接上篇，對(duì)于給定的粉體，暴露于相對(duì)濕度較高的條件下不一定形成均勻的結(jié)塊。在一些情況下，結(jié)塊主要形成于粉體——空氣的接觸面，導(dǎo)致強(qiáng)烈的“結(jié)殼”現(xiàn)象，比粉床下方部分更難流動(dòng)。量化“結(jié)殼”對(duì)粉床的影響程度有助于揭示剩余多少粉體仍可使用。其他粉體結(jié)塊評(píng)估方法，例如剪切池、穿刺硬度計(jì)和共軸測(cè)試等無(wú)法量化該現(xiàn)象。FT4 粉體流變儀通過(guò)槳葉切過(guò)粉體評(píng)估相對(duì)于粉床高度的能量梯度，從而精確測(cè)量結(jié)殼的強(qiáng)度和深度。

將脫脂奶粉（SMP）樣品存儲(chǔ)在相對(duì)濕度為 53% 和75% 的環(huán)境中六天，其中一個(gè)樣品每天使用 FT4 測(cè)試，評(píng)估粉床中固結(jié)的程度和位置。

對(duì)于存儲(chǔ)在 53%RH 環(huán)境中的樣品，可觀察到一種明顯的趨勢(shì)——粉體——空氣接觸面形成固體結(jié)殼，并隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)愈加完整，深度也隨之增加。但深入粉床的固結(jié)極少，表明非多孔結(jié)殼的形成極大地抑制了粉床下部分的水分遷移。

當(dāng)相同樣品儲(chǔ)存在高濕度的環(huán)境中（75%RH）時(shí)，可以觀察到不同的趨勢(shì)。同樣，粉體與空氣接觸面形成固體結(jié)殼，但此時(shí)最高固結(jié)區(qū)域隨存儲(chǔ)時(shí)間的推移逐漸滲入粉床，少量固結(jié)區(qū)域處在“動(dòng)態(tài)變化”的高固結(jié)區(qū)域上方，代表了水分滲透到樣品中的深度。與 53%RH 測(cè)試相同，在結(jié)殼高度之下，粉體仍保持呈未固結(jié)狀，結(jié)殼能保護(hù)它免受潮濕環(huán)境的影響。

在研究過(guò)程中，該濕度水平已足夠滲透至容器底部，可通過(guò)六天存儲(chǔ)后的樣品的測(cè)試結(jié)果證實(shí)，此時(shí)樣品已固化，無(wú)法測(cè)量流動(dòng)能。

這種性能上的差異取決于粉體儲(chǔ)存的相對(duì)濕度，表明濕度不僅對(duì)結(jié)塊范圍有影響，而且還對(duì)結(jié)殼形成的強(qiáng)度和深度以及水分在粉體中的遷移速度有影響。

溫度加劇結(jié)塊作用

在梯度增加的溫度下，材料的分子流動(dòng)性或粘彈性有所增強(qiáng)，顆粒硬度降低，導(dǎo)致材料經(jīng)歷更大的塑性變形。這也會(huì)增加顆粒之間的接觸面積，粘結(jié)作用（包括表面化學(xué)作用）的程度由此增加，也促進(jìn)了粉床中的結(jié)塊。量化高溫和固結(jié)負(fù)載這些影響的程度，將它們與其它粉體屬性（例如，聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度、粒徑或表面形狀）相關(guān)聯(lián)，就可更深入地了解粉體和儲(chǔ)存條件之間的相互作用，為溫控存儲(chǔ)提供參考，或建議在溫暖的氣候條件下存儲(chǔ)和加工粉體。

將三種不同聚合物粉體的等量樣品在 40℃ 下存儲(chǔ) 48 小時(shí)，分別無(wú)載荷或施加 2kPa 常規(guī)負(fù)載，模擬小型筒倉(cāng)中的存儲(chǔ)環(huán)境。樣品使用 FT4 進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估溫度升高的影響，以及溫度和少量固結(jié)狀態(tài)結(jié)合對(duì)結(jié)塊屬性的影響。

原樣品和存儲(chǔ)樣品之間流動(dòng)能差值增大，這表示如果長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)在高溫環(huán)境中，三種材料都易于結(jié)塊。但以未固結(jié)的狀態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，三種樣品顯示除了具有一定差異的流動(dòng)能變化。相比之下，聚合物 B 和 C 在固結(jié)狀態(tài)下存儲(chǔ)，流動(dòng)能顯著增大，這可能是因?yàn)楦邷睾徒Y(jié)固應(yīng)力的聯(lián)合作用導(dǎo)致塑性變形的程度增加。而聚合物 A 的流動(dòng)能僅小幅增加。

這表明存儲(chǔ)條件對(duì)最終特性有顯著影響。少量的聚合物 B 和 C 存儲(chǔ)在高溫環(huán)境中，流動(dòng)性不會(huì)有顯著變化，但加大固結(jié)負(fù)載，例如存放在筒倉(cāng)或袋中時(shí)，與聚合物 A 相比，它們的流動(dòng)性將發(fā)生顯著變化。

化學(xué)結(jié)塊

當(dāng)粉體混合在一起時(shí)，不同成分可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，導(dǎo)致松裝的粉體變成團(tuán)塊。若能繪制此類結(jié)塊過(guò)程的時(shí)間函數(shù)表，工程師可據(jù)此優(yōu)化存儲(chǔ)時(shí)間和存儲(chǔ)量，避免加工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

將等量的三組分的粉體混合物（已知混合后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）在室溫條件下存儲(chǔ)十天，分別無(wú)載荷或施加 9 kPa 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，模擬筒倉(cāng)中的環(huán)境。每天使用 FT4 測(cè)試一份樣品，評(píng)估存儲(chǔ)導(dǎo)致的流動(dòng)能增加情況。

在兩組條件下，由于成分之間的反應(yīng)很慢，前四天流動(dòng)能小幅增加或基本不增加。但在此之后，反應(yīng)速度加快，混合物開始結(jié)塊。并隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顆粒表明的化學(xué)反應(yīng)增加，混合物結(jié)塊，流動(dòng)能量快速增加。

在最初階段，固結(jié)條件下的粉體比無(wú)載荷的樣品略微容易結(jié)塊，可能是顆粒間距減小，也是范得華作用增大的結(jié)果。四天后，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)開始顯著影響流動(dòng)能時(shí)，相比無(wú)載荷樣品，固結(jié)條件下的流動(dòng)能大幅增加，說(shuō)明了顆粒緊密的排列結(jié)構(gòu)加劇了結(jié)塊反應(yīng)。

此處的結(jié)果證明了深入了解松裝粉體中化學(xué)作用的影響的必要性。

結(jié)論

隨著時(shí)間的推移，一些粉體的理化性質(zhì)會(huì)受到濕度、溫度或應(yīng)力的影響，導(dǎo)致形成結(jié)塊結(jié)構(gòu)。這是一系列機(jī)制共同作用的結(jié)果（顯然并不局限于外部因素中的任何一種），會(huì)對(duì)流動(dòng)屬性，甚至是過(guò)程特性和最終產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。這些外部因素大多會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性降低，但并非總是如此。在特定情況下，這些因素組合可能導(dǎo)致粉體比原樣更易于移動(dòng)。這表明粉體流動(dòng)性并非固有的材料屬性，而是取決于加工粉體的條件和設(shè)備。成功的加工過(guò)程需要粉體與工藝的配合，相同的粉體在一個(gè)過(guò)程中性能良好，而在另一個(gè)過(guò)程中卻不佳的情況并不罕見。

無(wú)論是那種機(jī)制，FT4 粉體流變儀都是有效量化粉體結(jié)塊特征以及流動(dòng)屬性的強(qiáng)有力工具，轉(zhuǎn)而幫助了解并最終優(yōu)化粉體處方和加工環(huán)節(jié)，從而抑制結(jié)塊并實(shí)現(xiàn)最佳加工能力。

參考文獻(xiàn)

[1] Freeman R., Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders - A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell. Powder Technology, 25-33, 174, 1-2, 2007

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