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從原材料、添加劑和中間體到終產(chǎn)品，食品、化學(xué)和制藥行業(yè)中的許多材料都需要使用相對自由流動的粉體，以保證適合生產(chǎn)過程和最終應(yīng)用。這些材料往往需要長時間的儲存，在此期間，由于顆粒間的相互作用，一些粉體的強度可能增加。這種現(xiàn)象通常稱為“結(jié)塊”，很大地限制了粉體不間斷通過加工流程的能力，也會對產(chǎn)品質(zhì)量造成不利的影響。

結(jié)塊由一項或多項機制產(chǎn)生，通常是機械、化學(xué)和熱學(xué)機制。水分的轉(zhuǎn)移和吸收往往影響最大。若要減少結(jié)塊，可通過管理環(huán)境條件，使材料保持在最佳的狀態(tài)；也可調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（通常是限制材料靜止的時間）或改變產(chǎn)品處方。

通過測試和理解各種材料的特性，可評估和降低過程中不同環(huán)節(jié)的結(jié)塊風(fēng)險，最大程度提高和保持產(chǎn)品質(zhì)量。例如，粉體測試結(jié)果提供的信息有助于結(jié)果提供的信息有助于判斷攪拌頻率，以保持供后續(xù)加工的合適狀態(tài)，或在袋包裝、桶包裝、散裝容器或罐包裝時能否保證質(zhì)量。

無論是哪種機制，若要確定最小化結(jié)塊概率的精確條件，需要全面理解這些機理所導(dǎo)致的流動性變化。

FT4 粉體流變儀是一種通用型粉體測試儀，自動、可靠且全面地測量粉體材料特性。這些信息能夠與加工經(jīng)驗相聯(lián)系，以提高加工效率，幫助實現(xiàn)質(zhì)量控制。FT4 專門用于動態(tài)流動屬性的測量，還集成了剪切池，能夠測量密度、可壓性和透氣性等整體屬性。

在本研究中，使用動態(tài)方法測量粉體樣品結(jié)塊前后的流動能量，以量化流動性的改變。流動能量通過具有專利的測量原理確定，測量特殊形狀的槳葉沿著預(yù)設(shè)路徑在精確定量的粉體中運動的阻力，得到的扭矩和力的測量值被轉(zhuǎn)換成流動能量^[1]。

樣品準(zhǔn)備過程中先用粉體填充測試容器，然后使用預(yù)設(shè)的預(yù)處理環(huán)節(jié)得到均勻的內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)。隨后切分容器，確保對應(yīng)條件下固定的樣品量。

大多數(shù)粉體當(dāng)顆粒間形成很強的粘結(jié)，從而受到很大的流動阻力。有些時候這些變化是可逆的，但在更多情況下，粉體表面會發(fā)生變化，形成永久粘結(jié)。

濕度加劇結(jié)塊作用

由于多種因素的相互作用，濕度對粉體的影響很復(fù)雜。吸收的水分會形成毛細管橋接，使得分離單個顆?；驁F塊所需的力增大。隨著時間的增加，吸收的水分還會形成固體橋接，從而促進化學(xué)作用，使得主要發(fā)生在顆粒表面的分子運動增加，加劇塑性變形。

三種不同食品粉體在不同的相對濕度條件下儲存 48 小時（RH），然后使用 FT4 測試，測量驅(qū)動槳葉以預(yù)設(shè)的流動模式在粉床中運動所需的流動能，以研究這些樣品分別對不同條件的響應(yīng)。

隨著相對濕度的增大，食品 A 的流動能略微增大，說明該樣品基本不受環(huán)境的影響。相反，食品 C 在相對濕度為 76% 時流動能顯著增大，這可能是因為蔗糖晶體在高濕度條件下部分溶解，在顆粒之間形成較強的橋接。較高的流動能代表粉體在動態(tài)過程中難以移動，食品 C 在高濕度環(huán)境下長時間存儲容易出現(xiàn)問題。

食品 B 出現(xiàn)不同的趨勢，表明水分吸收并非一定是不利因素。與室溫條件的樣品相比，56% 相對濕度條件下觀察到的流動能降低。吸收的水分會降低靜電力，而在一些情況下，表面水分會起到潤滑劑的作用，從而減小顆粒相互作用的強度。

不均勻結(jié)塊（結(jié)殼）

對于給定的粉體，暴露于相對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)致強烈的“結(jié)殼”現(xiàn)象，比粉床下方部分更難流動。量化“結(jié)殼”對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)塊評估方法，例如剪切池、穿刺硬度計和共軸測試等無法量化該現(xiàn)象。具有專利的 FT4 測試儀通過槳葉切過粉體評估相對于粉床高度的能量梯度，從而精確測量結(jié)殼的強度和深度。

后續(xù)內(nèi)容將詳細呈現(xiàn)更多實驗數(shù)據(jù)結(jié)果。

參考文獻

[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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