粉体本质上是三相系统，由固体颗粒，液体（通常是相对难控制的水）和气体（通常是空气）组成。这就是为什么当以粉体整体性质（例如流动性）定义了数值或者性能时，仅凭颗粒特征无法可靠地区分样品。它还强调了简单测试技术的局限性，这些测试技术通常方法定义不清，并试图仅用单个数值表征粉体的复杂性。例如，如果样品制备时不消除这些影响，测试的流动性可能和处理后样品的流动性不同。根据关注的加工流程不同，这两个数值也可能相关。

       这些问题在e-books1中有详细的讨论，并且宾夕法尼亚州立大学2的研究人员在实践中进行综合试验研究也证明了这一点，该研究也是本篇应用的基础。这项工作涉及将疏水性表面涂层应用于精细的铝颗粒，并广泛的表征所得的材料。这些数据说明了当粒度不变时粉体流动性如何发生实际性的改变，并证明了简易流动测试技术在评估流动性变化如何影响工艺性能方面的局限性。

       实验方法: 表面涂层

       D50（中值粒径）约为20μm的金属铝粉（批号12-3008；美国Valimet）通过气相沉积工艺用疏水聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行表面处理。PDMS有末端羟基和约550g/mol的Mn，粘度约为25cSt（美国Aldrich）。表面处理使用超高纯度氮气作为流动气体，在一个简单的内部制造气相沉积装置中进行。

       将铝粉以每批300g装入装置中，处理前在约100℃的温度下保持一小时去除物理吸附水；在之后的整个过程中粉体保持在这个温度下。PDMS在250℃左右挥发后与氮气混合，在铝粉上通约4小时。对所得的粉体进行各种物理和化学表征。有关沉积过程和所有分析的完整详细信息，请参阅参考文献2.

       表面处理的影响：（1）粒度和粒形

       原料和处理过的铝粉的粒度数据（英国，马尔文帕纳科，Mastersizer）表明涂层对粒度分布的影响可以忽略不计（参见图1）。由于粒度和粒度分布的差异是流动性改变的的一个常见原因，因此该结果使表面涂层对流动性的影响研究特别有趣。

图1-表面处理对铝颗粒粒度分布没有影响

 图2-原料粉体的扫描电子显微镜照片证明气体雾化颗粒的形状规则，表面光滑

       通过原料铝粉的扫描电子显微镜照片观察颗粒粒形（见图2）。这些颗粒表现出典型的气体雾化金属粉体的特征，它们有规则的球形和光滑的表面，并在一些较大的颗粒上存在更小的“卫星”颗粒。完整的描述表面涂层的光谱分析超出了本文的研究范围，但是这些数据表明，沉积过程使铝颗粒表面覆盖一层精细均匀的类硅氧烷层。沉积过程对PDMS聚合物骨架的破坏极小，没有迹象表明它会改变铝颗粒的形状。

       表面处理的影响： (2) 振实密度的测试

       测量原料和处理过的粉体的振实密度（美国，康塔，自动振实密度计），得到简单的流动特征。振实密度的测量可以得到通过特定的振动次数引起的密度变化，并通过豪斯纳比率（HR）和卡尔指数（CI，也称为卡尔压缩性指数）与粉体流动行为相关联，其中：

   HR = ρT/ρA

       CI = (ρT-ρA)/ρT * 100

       (ρT 是振实密度 ， ρA 是松装密度)

       在这种情况下，以260次/分钟的速度振动粉体，直到密度不再发生变化（约3000次）。

       原料粉体的HR是1.38，为“A-C”型粉体，该粉体处于粘性和可充气性之间的过渡区间。表面处理使粉体的HR减小为1.24，其刚好处于可充气性（1.25及以下）之内，表明涂层可以提高流动性，粉体从非常难流动（CI为30）变为正常流动（CI为19）。

       这个结果的基本原理是颗粒表明吸附的疏水性PDMS可以降低颗粒间的内聚力，减小床内的空隙空间和团聚，增加密度；处理后的粉体比原料粉体的振实密度高约14%。但是，内聚力的变化对粉体在工艺中如何表现（尤其是流化方面）意味着什么的，这些数据的解释相对有限。

       表面处理的影响：(3)粉体的动态、整体和剪切性能测量

       对原料和处理过的粉体做动态，整体属性和剪切测量（英国，富瑞曼科技，FT4粉体流变仪），对表面处理引起的变化做全面且多方面的研究。动态粉体属性是通过测量螺旋桨叶沿粉体样品以预定路径旋转时作用在螺旋叶片上的轴向力和旋转力（扭矩）得到的。它们包括：

     基本流动能（BFE）：量化受限制的流动行为（强制流动），在叶片向下移动时测量

       比流动能（SE）：量化无限制的流动行为（重力流动），在叶片向上移动时测量。

       稳定性指数 （SI）：量化粉体重复测试的物理稳定性，是在规定的测试循环次数后测得的BFE 与初始BFE 的比率。

       流速指数 （FRI）：量化强制流速变化的影响，是叶片低速（10 mm/s）时的BFE与初始 BFE（以 100 mm/s 的叶尖速度测量）比率。

       充气能比（AR）： 量化粉体对充气的灵敏度，是 BFE 与充气能量 （AE） 的比率，其中 AE 是空气以规定的速度（在本例中为0.5mm/s）向上流过样品时测得的BFE。

       剪切测量包括测量将一个固结的粉末平面相对于另一个固结的粉末平面剪切时所需的力，并产生屈服强度（UYS）和流动函数系数（ffc），这些属性可以量化粉体对固结流动的阻力。参考文献3对动态、剪切和整体（可压性和透气性）测试方法作了全面说明，测试结果见表2。

表 1 – 粉体动态，剪切和整体性能测试的数据

       从这些数据中首先注意的是，动态测试表明原料和处理过的粉体都非常稳定（SI值分别为0.95和0.98）。这说明表面涂层非常坚固，不易被腐蚀或者脱落。两种粉体也有相似的FRI值。FRI值也与混合性能相关，更具体地说，它对混合速度敏感[4]，在这种情况下，FRI值不受表面处理的影响。相反，处理后的粉体比原料粉体有更高的BFE，这是因为它的密度更大，堆积效率更高。粉体被强制且受限移动（例如螺旋输送机）时相关的阻力增加。

       处理后粉体的SE值比原料粉体的明显低。SE量化重力下的流动行为，而不是在BFE测量过程中在施加的强制条件，并且它往往受到机床内颗粒机械联锁和摩擦的强烈影响。因此，SE值进一步说明，在特定条件下可以提高流动性。压缩性的变化也证明了这一点，当受到8kPa的压缩应力时，处理过的粉体压缩性比原料粉体的压缩性低32%。剪切数据与UYS减少约50%的情况一致，这样粉体的分类（基于ffc）也发生变化，从“易于流动”到表面处理后的“自由流动”

图 3 – 充气曲线显示处理后的粉体（实线）平稳地气化到流化点，而原料粉体（虚线）充气时阻力更大

数据 4 – 尽管内聚力降低，但是处理过的粉体（实线）透气性比原料粉体（虚线）的透气性更低，这可能与堆积效率变化有关

       有趣的是，处理后的粉体透气性（k）低于原料粉体的透气性，由于高透气性通常有利于流动，这一结果有些违反直觉。透气性是通过测量在特定的气流速度下床层两端的压降确定的，该压降是施加的正应力的函数。该结果的基本原理是，处理后的粉体有效堆积状态抑制了空气通过床层的传输，从而抵消了颗粒之间内聚力减小时的阻力降低。另外，由于原料粉体的可压缩性更大，因此它的透气性比处理后粉体的透气性更依赖于应力条件。透气性与真空、气动传输以及填充操作的行为尤其相关，透气性低使得料斗卸料流量少和填充效率低。

结论

       这项研究清楚的强调了使用颗粒表征技术和简单的流动技术全面研究粉体行为的局限性。铝粉的表面涂层并没有使颗粒粒径和粒形产生明显变化，说明颗粒表征对预测流动性的变化没有帮助。堆积密度成功地检测到表面处理降低了内聚力，提高了粉床的填充，增加了密度，改善了流动性分类法。然而，这两种粉体的相对加工性能意味着什么，特别是两种粉体对空气的反应，他们没有提供足够的见解。

       事实证明，动态测试在这方面是有帮助的，可以明显区分原料粉体和处理后粉体的充气性能。结果表明，当空气流速增大时，原始粉体表现不稳定，没有完全流化，而处理后的粉体透气顺畅，在流速约0.30mm/s时流化。此外，动态测试提供了关于粉体稳定性的解释，并强调这样一个事实，即表面涂层导致某些变量发生变化——透气性和基本流动能，可能会损害某些工艺的性能。这些多方面的数据全面解释了密度和内聚力的变化在工艺性能中产生的影响，并说明了从先进的粉体测试技术中获得的价值。

       参考文献/延申阅读

       1 The Freeman Technology e-books ‘An Introduction to Powders’ and ‘Choosing a Powder Tester’ both provide valuable complementary background reading in this area. Access at: https://www.freemantechnology.cn/learn/ebooks

       2 B. Ludwig and J. L. Gray ‘The effect of gas phase polydimethylsiloxane surface treatment of metallic aluminium particles: Surface characterization and flow behavior’. Particuology 30 (2017) 92 – 101.

       3 R. Freeman, Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders — A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell, Powder Technology, 174 (2007) 25-33.

       4 T. Freeman and B. Armstrong ‘Using powder characterisation methods to assess blending behaviour’ White paper available to download at - https://www.freemantech.co.uk/news/using-powder-characterisation-methods-to-assess-blending-behaviour

致谢

       感谢宾夕法尼亚州立大学助理研究员Bellamarie Ludwig博士帮助起草本文，同时感谢材料表征实验室的Julie Anderson提供图2的扫描电子显微镜图像。

作者简介 — 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。