一、介紹

1、理論框架

顆粒狀材料和精細(xì)粉體在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，為了控制和優(yōu)化加工方法，必須對(duì)這些材料進(jìn)行精確表征。表征方法既與顆粒的性質(zhì)（粒度、形態(tài)、化學(xué)成分等）有關(guān)，也與粉體的行為（流動(dòng)性、密度、共混穩(wěn)定性、靜電性能等）有關(guān)。然而，關(guān)于散裝粉體的物理性能，大多數(shù)在研發(fā)或質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室使用的技術(shù)是基于舊的測(cè)量技術(shù)。在過(guò)去的十年中，我們更新了這些技術(shù)，以滿足研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)部門目前的要求。特別是測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化并開發(fā)了嚴(yán)格的初始化方法，以獲得可重復(fù)和可解釋的結(jié)果。利用圖像分析技術(shù)提高了測(cè)量精度。

一些用以涵蓋對(duì)所有工業(yè)加工粉體和顆粒材料的測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生。在本應(yīng)用中著重對(duì)GranuHeap設(shè)備進(jìn)行介紹。

2、GranuHeap

當(dāng)粉體被傾倒在平面時(shí)就會(huì)形成了堆狀。眾所周知，休止角和堆積形狀都與粉體特性密切相關(guān)。特別是粘性粉體會(huì)形成不規(guī)則的粉堆，而非粘性粉體形成規(guī)則的錐形粉堆。因此，精確地測(cè)量粉堆形狀能夠獲得粉體物理特性的有用信息。
GranuHeap是一種基于對(duì)粉體堆形進(jìn)行圖像處理和自動(dòng)化分析的測(cè)量方法。為了獲得高重現(xiàn)性的結(jié)果，Granuheap使用了一個(gè)內(nèi)徑等于圓形支架的套管，實(shí)驗(yàn)開始前，套管將被安裝在粉體樣品的托架上。首先，用手將固定體積的粉體（通常為100毫升）填裝到套管后，套管以恒定的速度上升。此時(shí)，粉體從管中流出，在圓柱支架上形成粉堆。通過(guò)控制托架的旋轉(zhuǎn)，可以獲得不同方向上對(duì)應(yīng)的粉堆投影。全自動(dòng)圖像識(shí)別算法確定粉體/空氣界面的位置。休止角便是指與粉體堆投影圖像表面積相同的等腰三角形的角度。這個(gè)等腰三角形得形狀與粉堆內(nèi)聚力相對(duì)應(yīng)。在旋轉(zhuǎn)托盤時(shí)，從不同角度來(lái)計(jì)算每個(gè)圖像中粉堆的休止角，然后計(jì)算平均值。對(duì)于非粘性粉體，該靜態(tài)粘聚指數(shù)接近于零，當(dāng)分體內(nèi)部粘聚力增強(qiáng)時(shí)，該靜態(tài)粘聚指數(shù)增大。下表顯示了用GranuHeap得到的結(jié)果與粉體流動(dòng)性之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。
 
二、實(shí)驗(yàn)方案

1、材料

本應(yīng)用中選擇三種不同的粉體：FlowLac100、GranuLac70和InhaLac400。上述三種粉體均由Meggle Pharma提供。
GranuLac是粒度小并且邊緣銳利的乳糖顆粒，具有粘性粉體的性質(zhì)，在造粒過(guò)程中十分有優(yōu)勢(shì)。
InhaLac是一種高質(zhì)量的結(jié)晶乳糖粉，專為干粉吸入制劑設(shè)計(jì)。
FlowLac是將經(jīng)過(guò)精磨的單晶乳糖混懸液進(jìn)行噴霧干燥生產(chǎn)出粉體。當(dāng)溶液中的乳糖被噴霧干燥時(shí)，水分被快速去除，因此除結(jié)晶乳糖外，同時(shí)也產(chǎn)生了無(wú)定形物和非晶狀的乳糖。
 
2、方法

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了直徑為40/30/20和10mm的托架。為提高測(cè)量精度，將粉堆旋轉(zhuǎn)過(guò)程中拍攝16張照片（每張照片都在托盤旋轉(zhuǎn)11.25度后拍攝）。在分析結(jié)束時(shí)，最后拍攝一張照片，在測(cè)量時(shí)檢查粉堆的完整性。
所有實(shí)驗(yàn)均在相同的濕度/溫度值（30% RH和21℃）下進(jìn)行。所有的實(shí)驗(yàn)都重復(fù)了5次。
輔料在實(shí)驗(yàn)室人為存放了幾個(gè)月。因此，樣品會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變化過(guò)程，其性能是否與生產(chǎn)商所描述新鮮粉體的規(guī)格一致就很難知曉。
 
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下圖表示每種粉體和托盤直徑的休止角對(duì)應(yīng)關(guān)系。直線并不對(duì)應(yīng)于模型，他們只是用來(lái)方便觀察。誤差棒顯示（對(duì)應(yīng)5次重復(fù)性試驗(yàn)獲得的休止角的標(biāo)準(zhǔn)差）。
  圖1可以總結(jié)出托盤對(duì)休止角結(jié)果的影響。事實(shí)上，我們可以看到，對(duì)于流動(dòng)性較差的粉體（靜止角度小于55度），托盤直徑越小，休止角越小。然而，對(duì)于流動(dòng)性“非常非常差”的粉體（休止角大于66度），托盤直徑與測(cè)量結(jié)果沒(méi)有太大關(guān)聯(lián)（如果考慮誤差棒）。

然而，對(duì)于同一直徑的托盤，粉體流動(dòng)性分類的趨勢(shì)是相同的。因此，可以很容易地實(shí)現(xiàn)分析分類，并且具有很高的精度（平均誤差接近3.5%）。最后，由于粉堆形狀分析是相對(duì)測(cè)量，因此可以得出這樣的結(jié)論：更改托盤直徑不會(huì)直接影響分析結(jié)果。

三、結(jié)論
 

• GranuHeap可以在多個(gè)尺寸規(guī)格的托盤條件下測(cè)量粉體的流動(dòng)性，并具都有很高的精確度（乳糖粉的平均誤差3.5%）
• 托盤尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果有輕微的影響，然而，就流動(dòng)性變化趨勢(shì)而言是相同的，因此粉體的分類是不隨所使用的托盤尺寸不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。