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麥克粉末流動性講堂—評價粉體測試工具包：剪切測試（20190823）

美國麥克儀器 2019-08-26 | 閱讀：2867

承接上一篇綜述文章，我們已經(jīng)討論了傳統(tǒng)粉體測試工具包究竟能否滿足當下粉體加工者的需求。這篇文章中將開始討論剪切測試。

剪切測試起源于Jenike在20世紀60年代為解決儲存容器卸料問題而展開的創(chuàng)新工作。其所開發(fā)的技術(shù)首次使用數(shù)值方法確定粉體加工設(shè)備的規(guī)格，為該設(shè)備的設(shè)計提供支持。開發(fā)一種設(shè)計演算法使得料斗和料倉實現(xiàn)可控的卸料是一項重大的挑戰(zhàn)，相關(guān)后續(xù)的研究工作也驗證了該方法的卓越性。雖然卸料和料斗設(shè)計仍然是一門不盡完美的學(xué)科，但是，50年前開發(fā)的方法經(jīng)受了時間的考驗，至今仍在使用且未有重大變化。

圖1 - 傳統(tǒng)剪切室

簡單來說，剪切測試測量了相對于一個粉體平面剪切另一個固結(jié)平面所需的力。類似的方法也用于測量壁面摩擦（即設(shè)備或容器結(jié)構(gòu)材料表面與粉體之間的摩擦力），以提供料斗設(shè)計所需的大部分數(shù)據(jù)。料斗底部的粉體由于其上方物料的重力作用而發(fā)生固結(jié)，粉體承受此種應(yīng)力，同時將應(yīng)力傳遞至粉床內(nèi)，并且粉體與容器壁面接觸時也會承受一定的應(yīng)力，可見這些測試方法是極其相關(guān)的。

構(gòu)想出剪切測試之后的幾十年，對于與加工工藝相關(guān)的粉體表征的極大需求也已促使剪切測試的應(yīng)用遠遠超于最初。這點固然可以理解，但也使得這項技術(shù)的某些局限性成為關(guān)注的焦點。

一個問題是，對于粘性粉體而言，剪切測試最為適合，也最精確。對于粘性的材料，測得的剪切力相對較大。然而對于非粘性的樣品，剪切力則逐漸減小，此時測得的結(jié)果——流動函數(shù)對應(yīng)的“自由流動”范疇則成為主要參數(shù)，涵蓋了廣泛的自由流動行為，可見剪切測試不像動態(tài)表征那樣具有區(qū)分性（參見下圖）。

另一個更加重要的問題無疑是，剪切測試期間所使用的條件并不能代表流化床或重力下料。對于某些工藝而言，粉體對空氣的響應(yīng)至關(guān)重要，這也不能使用剪切分析直接研究。更廣泛地說，試圖從剪切數(shù)據(jù)中推斷出與測試環(huán)境明顯不同的真實條件下的粉體行為，這種的做法可謂既不精確，又不高效。

本文意圖并不在于爭論剪切測試其設(shè)計目的和價值，事實上，剪切測試也確實幫助人們深入了解以及普遍研究粉體性質(zhì)，確實發(fā)揮了重要的作用。然而剪切分析已經(jīng)開始達到極限，所以我還是認為綜合測試并且采用其他的測試方法（特別是動態(tài)測試）更適合表征粉體。認識到這些局限并采用最合適的表征技術(shù)才是最為關(guān)鍵的，只有這樣加工業(yè)者才能夠?qū)崿F(xiàn)更為高效的生產(chǎn)。

圖為麥克儀器旗下富瑞曼科技 FT4粉體流變儀?-粉體流量測試儀