粉体流变学

---

粉体流变学是研究粉体作为固体、液体和气体所组成整体的行为。允许用户测量粉体的动态流动和剪切性能，同时量化密度，压缩性和透气性等整体特性。

粉体流变学应用于各个行业以支持新产品的开发和生产。通过投资粉体流变仪，生产现场可以根据所测得的粉体性能与工艺性能之间的相关性，建立起对生产工艺和单元操作的理解。

 

为何粉体如此复杂？

---

粉体的三种不同相

粉体是一种独特的三相材料，包括以颗粒形式存在的固相、颗粒之间存在的气相以及颗粒表面或结构内部存在的液相。

粉体是一种由固相、液相和气相组成的松散集合。
 

人们普遍存在着一种错误的认识，以为只需要了解流动性就可以描述粉体行为，而流动性又是可以用单一数值量化的离散性。

不幸的是，这两种想法都是错误的。这也解释了为何直到21世纪的今天，我们依然未能从根本上了解粉体行为。假定有一只装着松散粉体的玻璃罐，想象当它被打翻，其中的粉体将如何表现。而如果首先拿起这只罐子在硬质表面反复拍打，粉体的行为又会有何不同。粉体在松散状态下与振实状态之下的任何行为差异都源自于其特性。如果是干沙这样的粉体，在振实前后其行为则可能大致相同。但是，如果是像面粉这样的粉体，振实后，可以观察到非常不同的流动性。这是一项重要而又非常典型的粉体特性。

颗粒特性对粉体行为很重要，但充气或固结程度等外部变量也同样重要。

 

在上述各种状态下，颗粒的化学和物理特性并未发生变化，仅仅由于颗粒之间空气量和接触压力发生改变，导致流动性大相径庭。

 

 

外部变量的影响

---

如前例所示，当粉体处于充气、松装或是固结状态时，其行为差异非常大。某些粉体对这些变量非常敏感，而另一些却不尽如此。有的粉体在充气和松装状态下可能流动良好，而在固结状态下则会造成麻烦（如墨粉）。有的粉体在松装状态下可呈现合理(良好)的流动性，在固结状态下也不太受影响，但在充气后（如陶瓷粉体，见视频），其流动性会得到切实的提升。基于这些观察，要用单一数据充分描述粉体在加工和应用过程中遇到大量充气或是高度固结时的反应，是不太可能的。

就流动性而言，固结应力和空气含量的大小是影响最大的两项变量。但是，粉体行为还受到加工速度，如混合速度或生产线填充速度，以及其它变量如环境湿度水平、储存时间等影响。性能优良的粉体经过储存，或在湿度稍高于正常水平的环境中进行加工时，可能表现出较差特性。

外部变量	何时何处发生	效应
固结	振动 / 拍击   直接压力（料斗、中型散装容器、小桶）	颗粒间的压力、接触面积和接触点数量增加   颗粒间的空气含量降低（孔隙度降低）
充气	重力式卸料   混料   气动传输   雾化给药	颗粒间的压力、接触面积和接触点数量降低   颗粒间的空气含量增加（孔隙度增加）
流动（剪切）速率	粉体内   粉体与设备器壁间   混料	主要是非牛顿流   在低流动速率条件下对流动的阻力增加
湿度	储存   加工   人为加入（制粒）	增加颗粒间的黏附性   增加颗粒间的黏附性   增加电导率
静电	从料斗中卸料   气动传输   高剪切混合	增加颗粒间的结合强度   粉体黏附在设备
储存时间	原材料/中间料	固结   结块   永久性地影响下游表现

 

控制某些变量可能相对比较简单，但加工过程中的空气含量及固结应力变化通常很难避免。即便是在粉体通过最基本的输送槽时，也有可能混入空气并发生固结。充气时粉体膨胀、颗粒间距变大，这种情况会在很多工序中都会发生，包括混料、填充和出料操作，即便是没有采用外部供气的气动传输。

认识到这些外部变量中的任何一种都可能改变粉体行为，也就迈出了更好地理解加工性能的第一步。接着，测量粉体对各种外部变量的反应，就能理解粉体为何表现出特定的行为方式，并有机会同时优化配方及生产效率。

 

颗粒特性的影响

---

除了上述提到的外部变量，影响松装粉体表现的颗粒特性还有许多。颗粒非常复杂，用来描述它们方方面面的参数却远远不够。通常人们会考虑颗粒的尺寸、粒径分布，这两个参数依然很重要，但事实上，还有很多颗粒特性会影响粉体的整体行为。重要的颗粒特性包括：

注意：上述这些特性更多表现为一种分布状态，而非单一数值。

一些特性可以直接测量，而有些则难以量化。然而，所有特性都可能对粉体的行为方式产生影响。

考虑到颗粒特性及外部变量如此复杂多样，即便不超出我们现有的能力范围，要用数学的基本方法预测粉体行为也是极其困难的。

 

颗粒间交互作用的机制

---

通过了解存在于颗粒间的交互作用机制，可以更加深入地理解松装粉体行为。颗粒之间是否易于进行相对运动，受到多种因素的影响。逐一认识这些因素，以及如何对它们加以利用，为产品开发和工艺优化提供了绝佳机会。

阻碍颗粒运动的机制 -

上述所有机制都会产生作用，阻碍颗粒间独立性。一般而言，这些机制的影响越大，粉体的流动性越差。但是，观察发现，粘结力高、形态不规则、表面摩擦力大的粉体依然可以流动。因此，很明显还存在导致颗粒运动的其它重要的原动力。

推动颗粒运动的机制 - 

先暂时忽略运动中的颗粒存在惯性，那么，作用于松装静止颗粒上的原动力主要由万有引力产生，即其本身的重力。因此，颗粒要开始流动，很大程度上依赖于作用于其上的重力大小。正因为如此，含有大粒径颗粒或者高密度材料的粉体，由于颗粒的个体质量较大，其所受重力也较大，松装时就倾向于表现出更好的流动性。

松装粉体的行为受到所有颗粒间交互作用机制的影响，但不同机制的影响也取决于粉体的特性以及所处的环境或加工条件。

所有阻力的和重力原动力间的交互作用决定了颗粒是独立运动，还是团聚成块。在后一种情况下，松装粉体的流动受到团块质量以及与团块周边相互作用的影响。

人们普遍存在着一种错误的认识，以为小粒径粉体粘结力更大。事实并不一定如此。本例中，由于颗粒个体质量小，作用于其上的重力也比较小，所以尽管粘结力的绝对值可能不高，但与重力相比却较大。

主要由球状颗粒构成的粉体对颗粒形状的依赖性最高。因此，改变颗粒表面结构、润滑程度、含水率或材料真实密度等特性，不失为一种优化松装粉体特性的手段。如果增加游离水分含量，粘结力强的粉体可能更加容易流动，因为颗粒表面更多的水份可以导电，从而消除部分粘结力。但是，如果游离水分过多，会造成颗粒间的毛细管粘连，从而增强颗粒间的粘合，阻碍流动性能。

考察各种机械力的影响和重要性时，还应结合粉体所处的加工环境和条件。当粉体呈松散堆积状态时，颗粒间粘结力的影响最大，并决定各个颗粒之间的相互独立性。但是，当粉体在料斗或喂料器中那样固结在一起时，因为颗粒之间相互接触，摩擦力以及因机械咬合而产生的阻力就远远占了上风。在这些情况下，接触点的数量、接触压力，以及由颗粒本身相容性决定的接触面积，则会有所增加。粘结力依然存在，但只是限制颗粒间独立运动阻力的一部分。

认识颗粒间的相互作用力，以及加工或应用过程中的各种状况，是优化配方或工艺的关键步骤。如果针对粘结性粉体进行工艺设计和配置优化，也可实现高效加工。实际上，低粘结性粉体在同样的加工过程中可能表现糟糕。有效的粉体加工不在于降低粉体粘结性，而在于优化粉体特性，以利于加工或应用。