從原材料、添加劑和中間體到終產(chǎn)品,食品、化學和制藥行業(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、化學和熱學機制。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)塊風險,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 粉體流變儀專門用于動態(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。流動能量通過測量原理確定,測量特殊形狀的槳葉沿著預設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]。
樣品準備過程中先用粉體填充測試容器,然后使用預設的預處理環(huán)節(jié)得到均勻的內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)。隨后切分容器,確保對應條件下固定的樣品量。
大多數(shù)粉體當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雜。吸收的水分會形成毛細管橋接,使得分離單個顆粒或團塊所需的力增大。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)動槳葉以預設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。
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。FT4 粉體流變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。
下一篇內(nèi)容,我們將詳細介紹不均勻結(jié)塊的數(shù)據(jù)報告。
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