很多工業(yè)應用都涉及到粉體的流動。粗略地估計大約有60％的工業(yè)產(chǎn)品為顆粒，同時大約有20％的工業(yè)原料為粉體。更為重要的是，由于顆粒間相互作用力的滯后特性，粉體的堆積狀態(tài)多種多樣。粉體的流動性及堆積行為的研究是粉體工程的基礎，是聯(lián)系粉體材料性質(zhì)與許多關于粉體技術的單元操作的紐帶，比如粉體儲存、給料、輸送、運輸、混合等。

粉體定義及分類

粉體通常是指由大量的固體顆粒及顆粒間的空隙所構(gòu)成的一種分散體系，顆粒粒度一般小于1000μm。工程上常把在常態(tài)下以較細的粉粒狀態(tài)存在的物料稱為粉體物料，簡稱粉體。

粉體可按其成因、制備方法、顆粒分散狀態(tài)、顆粒大小、化學組成、晶體結(jié)構(gòu)、用途等進行分類。Geldart，Molerus等人按照不同的分類標準對粉體顆粒進行了分類。其中Geldart的分類標準應用較為廣泛。

Geldart從流化特性出發(fā)，根據(jù)其與顆粒粒度和密度的關系提出將顆粒分為ABCD四類。

A組顆粒：尺寸較小，通常為幾十微米，具有很好的流態(tài)化特征，氣泡尺寸較小，氣-固接觸效率高；

B組顆粒：尺寸較大，通常為幾百微米，氣固尺寸接觸效率低，顆粒不易循環(huán)；

C組顆粒：尺寸小，通常<20um。由于顆粒間的作用力遠大于顆粒的重力，顆粒表現(xiàn)為一定的團聚性而不易流態(tài)化；

D組顆粒：尺寸大或密度高的顆粒，如谷物、鉛粒等。

影響粉體流動性的因素

粉體之所以流動，其本質(zhì)是粉體中粒子受力的不平衡，對粒子受力分析可知，粒子的作用力有重力、顆粒間的黏附力、摩擦力、靜電力等，對粉體流動影響最大的是重力和顆粒間的黏附力。

具體到相關參數(shù)，則包括顆粒的種類、平均粒度、粒度分布、濕含量、顆粒形狀、比表面積、密度、存儲時間和顆粒間相互作用等。

1.粉體粒度與粒度分布

粉體粒度是指其顆粒大小在空間范圍所占據(jù)的線性尺寸，粒度分布是指若干個大小順序排列的一定范圍內(nèi)顆粒量占顆粒群總量的百分數(shù)，主要通過簡單的表格、圖形或函數(shù)的形式給出。

BT-9300S激光粒度儀

激光粒度儀是一種常用的粒度及粒度分布測試儀，粒度分析儀通常把D(3，2)，D(4，3)以及D(50)的數(shù)值一起參考，D(3，2)和D(4，3)的值越接近，說明樣品顆粒的形狀越規(guī)則，粒度分布越集中。

2.粉體濕含量

當含有少量水分時，水分被吸附顆粒表面，以表面吸附水的形式存在，對粉體的流動性影響不大。水分繼續(xù)增加，在顆粒吸附水的周圍形成水膜，顆粒間發(fā)生相對移動的阻力變大，導致粉體的流動性下降。當水分增加到超過最大分子結(jié)合水時，水分含量越多其流動性指數(shù)越低，粉體流動性越差。

3.顆粒形態(tài)

顆粒的形態(tài)包括顆粒三維形狀和顆粒表面形態(tài)，三維形狀主要通過諸如球形度等形狀因數(shù)來表示，顆粒表面形態(tài)主要采用進行直觀觀察。粒徑大小相等，形狀不同的粉末其流動性也不同。顯而易見，球形粒子相互間的接觸面積最小，其流動性最好。針片狀的粒子表面有大量的平面接觸點，以及不規(guī)則粒子間的剪切力，故流動性差。

4.粉體間相互作用

粉體間的摩擦性質(zhì)和內(nèi)聚性質(zhì)對粉體的流動性同樣有著很大的影響。粒度和形態(tài)不同的粉體，其內(nèi)聚性和摩擦性對粉體流動性的影響程度是不同的。

當粉體粒度較大時，粉體流動性主要取決于粉體的形貌，因體積力遠大于粉粒間的內(nèi)聚力，表面粗糙的粉體顆粒或是形態(tài)不均勻的粉體顆粒的流動性都較差。

當粉體顆粒很小，粉體的流動性主要取決于粉體顆粒間的內(nèi)聚力，此時的體積力遠小于顆粒間的內(nèi)聚力。

粉體流動表征方法

1.休止角法

與流體不同，當粉體從容器流到平面時，流下的粉體堆積在平面上且堆積尺寸隨粉體的流下而增加，但堆積角保持不變，這個角即為粉體的休止角，又稱安息角，它是粉體在自身重力下運動所形成的角。

休止角的測量方法很多，有排出角法、注入角法、滑動角法等。

休止角是檢驗粉體流動性的好壞的最簡便的方法。休止角越小，摩擦力越小，流動性越好，一般認為θ≤40°時可以滿足生產(chǎn)流動性的需要。但同時要注意，由于同一粉體可能會獲得不同的休止角，特別是細顆粒粉體具有較強的可壓縮性和團聚性，休止角與過程有關，所以休止角不是粉體的基本物性。

2.Carr流動性指數(shù)法

粉體流動性的測量方法很多，很長一段時期都是簡單地根據(jù)粉體的休止角、可壓縮性來預測粉體的流動性能，但是這些方法所考慮的因素都較為單一，帶有較強的經(jīng)驗性，往往實際操作中并不理想，難以很好地描述粉體流動性。后來Carr通過對種粉體試樣的測定，提出了一套比較全面的表征粉體流動情況的辦法，叫做流動性指數(shù)法。

該方法通過對粉體的休止角、壓縮率、平板角、凝集度（或均齊度）等指標進行測定，將流動性定為100分，上述每項,25分，將4項得分之和分為7檔。得分越高流動性越好，總得分高于80分一般不會堵結(jié)，低于60分則一般會架橋。目前應用范圍很廣，且已有定型儀器，如日本細川密克朗公司的粉體綜合特性測試儀。

細川密克朗粉體測試儀

3.Jenike法

Jenike法采用剪切儀來測定流動性能。這種測試手段最早用于料倉設計中，但是現(xiàn)在它在測試粉體物質(zhì)的一般性能中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過剪切實驗測定粉體樣品的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、壁摩擦角等性能指標，結(jié)合莫爾圓得到粉體的流動函數(shù)FF，定量化地評價粉體流動性能。

直剪儀剪切原理圖

4.其他流動性評價方法

轉(zhuǎn)鼓法：歐洲藥典提出一種采用轉(zhuǎn)鼓測量藥物粉末流動性的新方法，即將粉末顆粒裝入轉(zhuǎn)鼓中讓其緩慢轉(zhuǎn)動，測定固定轉(zhuǎn)速下每旋轉(zhuǎn)一圈顆粒發(fā)生坊塌的次數(shù)N。N越大，流動性越好。

重力位移流變儀用來描述無約束條件下制劑組成和環(huán)境條件（濕度）對粘性粉體流動性的影響。隨著滾筒旋轉(zhuǎn)，稱重傳感器單元測量粉體崩塌時轉(zhuǎn)動慣量的變化。

多元分析法：多元分析方法是研究多個自變量與因變量相互關系的一組統(tǒng)計理論和方法，主成分分析是一種降維或者把多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標的分析方法，其核心是保證在原始數(shù)據(jù)信息丟失最小的情況下，對原始數(shù)據(jù)中有多個變量，即有多個主成分時，實際只考慮貢獻率最大方差最大的主成分。

參考來源

杜焰等.中藥粉體流動性表征方法研究

劉一.粉體體系堆積、流動特性及其與顆粒間作用力關系研究

吳福玉.粉體流動特性及其表征方法研究