粉体颗粒状态与流动性的关系

1、.摘要本文以粉体颗粒状态与流动性的关系为研究重点，采用粉体特性综合测试仪，分别测试了8个粉体样品的休止角、平板角、松装密度、振实密度、分散度等参数，得到样品的Carr流动性指数，评价了8个样品的流动性；通过激光粒度分析仪测了粉体的平均径、中位径、峰值径以及累积百分率处粒子的粒径以及粒径分布；用图形图像分析仪测试分析了样品的粒形。对样品的流动性与粉体粒形、粒径及其颗粒分布的关系进行了分析。分析结果表明，8个样品流动性好坏依次为：2号1号4号5号3号6号8号7号。粉体的流动性与颗粒的球形度成正比，球形度越大，流动性越好。8个样品中2号球形度最大、流动性最好，7号球形度最小，流动性最差。关键词：粉体

2、 流动性 Carr指数 粒形 粒径abstractThis paper focuses on the research of the relationship between the powder particles state and liquidity, and respectively tests the angle of repose, flat angle, apparent density, tap density and dispersion and other parameters of eight samples. Carr index table is referred a

3、nd Carr indexes are obtained. The liquidity performance of the eight samples in sequence is: No.2 No.1 No.4 No.5 No.3 No.6 No.8 No. 7. The median diameter, the number average diameter and the cumulative percentage of the particle size and size distribution of particles of the powder are measured by

4、laser particle size analyzer. Besides, the particle shape of the sample is tested by image analyzer and analyzed. The results show that the liquidity of powder is in direct proportion to the spherical degree of particle, namely, the greater the spherical degree is, and the better liquidity is. In th

5、e eight samples, spherical degree of No. 2 is the largest and its liquidity is the best; spherical degree of No. 7 is the smallest and its liquidity is the worst.Keywords: Powder; Liquidity; Carr Index; Particle Shape; Particle Size 目录摘要IabstractII0 引言10.1 研究背景10.2 粉体流动性的表征方法10.3 粉体流动性的影响因素21.实验样品与实

6、验方法31.1实验样品31.2实验方案41.3 试验仪器41.3.1 BT-1000粉体特性综合测试仪41.3.1.1测试原理41.3.1.2测试方法52.实验结果与分析62.1粉体carr指数的测定及结果分析62.1.1流动指数分析62.1.2压缩度分析72.2激光粒度分析82.3粉体的粒形测试及流动性分析8结论14致谢15参考文献16.0 引言0.1 研究背景所谓粉体，是由不连续的微粒构成，是一类特殊的固体，同时具有液态和固态的性质。随着时代的发展，粉体与人类的生活越加息息相关。在医药制药行业中，粉体的流动性对产品的生产、不同成分的混合、传输、储存等过程，具有至关重要的意义1。在制药中如果

7、粉末流动性较差，则难以将药品中的各种粉末成分直接混合均匀，对药物的准确含量造成影响，若将粉末制成一定大小的颗粒可以增加它的流动性；在胶囊剂、片剂、颗粒剂等的成型或填充时，由于粉末的流动性较差，粉末的表面粗糙，粉末容易粘连成块状，导致患者在服用时非常不方便，会对工艺过程顺利进行有一定的影响 ，使制剂的成本增加；在外用散剂中，流动性差的粉体，易导致患者涂布不均匀，造成局部用药过少或过多，影响疗效；在制剂的运输和贮藏过程中也有不利影响，流动性差的粉料更容易因为外界环境温度、湿度、压力等因素的影响，导致药物的稳定性和有效性降低2。因此，如何准确描述药用粉体的流动性，是控制固体制剂质量的重要基础和手段，

8、对医药制药行业具有重要意义。0.2 粉体流动性的表征方法经过几十年的研究，发展了多种粉体流动性的测量方法，常见的有休止角法、HR法、比表面积法、卡尔指数法、Jenike法等。（1）休止角法休止角，又称为安息角、自然坡度角等。休止角的意义指颗粒堆积层的自由表面，在静止状态下可以形成的最大角度。它可以间接测量出粉体的摩擦力，并且通过休止角度数表征粉体流动性的好坏3：流动性优（2530）；流动性良（3135）；流动性好（3640）；流动性合格（4145）；流动性差（4690）。在上世纪有很长一段时期，仅仅简单地通过粉体的休止角来表征粉体流动性的好坏。休止角的测定方法分为4类：固定圆锥槽法、固定漏斗法

9、、转动圆柱体法、倾斜箱法。这种办法虽然简单便捷，但是带有较大的经验性，在实际测试操作中，流动情况很不理想，经常在料仓中产生严重的堵塞（结拱或形成管斗）。休止角对颗粒的流动性影响最大，休止角越小，颗粒的流动性越好。（2）卡尔指数法Carr测定法是经过多年的发展，综合评价了粉体流动性的诸多影响因素，经过大量实验而提出的应用休止角、平板角、凝聚度、压缩率、均齐度五项指数，用得分制的数值方法表示粉体流动性的方法。该方法直接用经验测量法测定，简单实用，不仅适用于流动性好的粉末颗粒，而且适用于流动性差、附着性强、有团聚倾向的粉体，适用范围较广。通过测定样品的上述几项流动性指数，把试验结果进行累加，即可得到

10、卡尔指数4。卡尔指数法的缺点是，不能深入分析粉体流动性，并且目前的测试方法误差还比较大，测试的稳定性尚有待解决。（3）HR法 HR定义为粉体的振实密度与松装密度之比，该比值反应了粉体的压缩性和流动性5。用HR值来表征粉体流动性大小的方法即为HR法，HR值越小，粉体压缩性越弱，流动性越好；反之亦然。与休止角法相同，HR法也被认为是一种描述粉体流动性最简便的方法，具有较大的主观性和经验性。（4）Jenike法在Carr指数法的基础上，以粉体力学理论为基础，Jenike提出了一整套表示料仓内粉体流动性的参数和料仓定量设计的方法及理论。Jenike的测试结果对粉体特性的反应较为准确，但是也有其弊端，即

11、测试需要的粉体数量较大，并且测试仪器非常精密，测试过程要求严格、操作复杂，测试数据较多。Jenike法也不能反应出粉体颗粒的粒度组成，不适用于有毒、微量粉体的测试7。Jenike 测试粉体物料的仪器主要有压缩性测定仪、流动性能测定仪和透气性测定仪。但是，对于大多数粉体，主要用有效内摩擦角、壁摩擦角、内摩擦角、容重和无侧界屈服强度等5个性能指标来表示流动性能6。（5）比表面积法通过采用比表面积测定仪测定分体的比表面积，来表征分体的流动性。该方法局限性明显，单纯采用比表面积值仅仅能表示颗粒的总体粗细水平，但不能反应颗粒群粒度分布状况，并且测试方法操作较复杂。0.3 粉体流动性的影响因素粉体之所以流

12、动，其本质是粉体中粒子受力的不平衡，对粒子受力分析可知，粒子的作用力有重力、颗粒间的黏附力、摩擦力、静电力等，对粉体流动影响最大的是重力和颗粒间的黏附力。影响粉体流动性的因素非常复杂，粒径分布和颗粒形状对粉体的流动性具有重要影响24。此外，温度、含水量、静电电压、空隙率、堆密度、粘结指数、内部摩擦系数、空气中的湿度等因素也对粉体的流动性产生影响。通过分析粉体流动性的影响因素，对于采用科学的方法测量粉体流动性具有重要意义。（1）粒度 粉体比表面积与粒度成反比，粉体粒度越小，则比表面积越大。随着粉体粒度的减小，粉体之间分子引力、静电引力作用逐渐增大，降低粉体颗粒的流动性；其次，粉体粒度越小，粒子间

13、越容易吸附、聚集成团，黏结性增大，导致休止角增大，流动性变差；再次，粉体粒度减小，颗粒间容易形成紧密堆积，使得透气率下降，压缩率增加，粉体的流动性下降2。 （2）形态除了颗粒粒径意外，颗粒形态对流动性的影响也非常显著。粒径大小相等，形状不同的粉末其流动性也不同。显而易见，球形粒子相互间的接触面积最小，其流动性最好。针片状的粒子表面有大量的平面接触点，以及不规则粒子间的剪切力，故流动性差2。（3）温度据报道：热处理可使粉末的松装密度和振实密度会增加。这是因为，温度升高后粉末颗粒的致密度提高。但是当温度升高到一定程度后，粉体的流动性会下降，因为在高温下粉体的黏附性明显增加，粉粒与粉体之间或者粉体与

14、器壁之间发生黏附，使得粉体流动性降低。如果温度超过粉体熔点时，粉体会变成液体，使黏附作用更强2。（4）水分含量 粉末干燥状态时，流动性一般较好，如果过于干燥，则会因为静电作用导致颗粒相互吸引，使流动性变差。当含有少量水分时，水分被吸附颗粒表面，以表面吸附水的形式存在，对粉体的流动性影响不大。水分继续增加，在颗粒吸附水的周围形成水膜，颗粒间发生相对移动的阻力变大，导致粉体的流动性下降。当水分增加到超过最大分子结合水时，水分含量越多其流动性指数越低，粉体流动性越差。（5）粉粒间相互作用粉体间的摩擦性质和内聚性质对粉体的流动性同样用着很大的影响。粒度和形态不同的粉体，其内聚性和摩擦性对粉体流动性的影

15、响程度是不同的，当粉体粒度较大时，粉体流动性主要取决于粉体的形貌，这是因为体积力远大于粉粒间的内聚力，表面粗糙的粉体颗粒或是形态不均匀的粉体颗粒的流动性都较差。当粉体颗粒很小，粉体的流动性主要取决于粉体颗粒间的内聚力2，因为此时的体积力远小于颗粒间的内聚力。1.实验样品与实验方法1.1实验样品试验共选择8种不同中药粉末1.2实验方案（1）用BT-1000粉体特性综合测试仪测出不同粉体的休止角、平板角、松装密度、振实密度、分散度等。通过测定样品的每一项流动性指数，把其结果累加，可得到卡尔指数，得出对流动性状的评价。（2）用激光粒度分析仪测出粉体的平均径、中位径、众数以及累积百分率处粒子的粒径以及

16、粒径分布。（3）用图形图像分析仪对图像进行灰度转换，二值化，分割，删除，剪切，粘贴，缩放，填充等一系列处理，得到颗粒清晰的黑白二值化图像。由此得出粒形。（4）分析不同粉体的粒形粒径和粉体的流动性关系。球形粒子的相互间的接触面积最小因而具有最好的流动性，立方体的流动性次之，其他不规则形状粒子的流动性一般，片状、枝状和针状的粒子其表面有大量的平面接触点和不规则粒子间的剪切力，故流动性差。1.3 试验仪器1.3.1 BT-1000粉体特性综合测试仪BT-1000型粉体综合特性测试仪测试项目包括休止角、崩溃角、平板角、分散度、松装密度、振实密度等参数，通过上述测试数据得到差角、压缩度、空隙率、均齐度等

17、指标、还能通过卡尔指数得到流动性指数、喷流性指数等参数。1.3.1.1测试原理休止角的定义是粉体堆积层的自由表面在静止平衡状态下，与水平面的最大角。平板角的定义是，将埋在粉体中的平板垂直向上提起，粉体在平板上斜面和平板之间的夹角与受震动后夹角的平均值。流动指数是休止角、平板角、凝集度、压缩度等指数的加权和。在流动指数的四个计算指标中，休止角对粉体流动性的影响最大，休止角越大，则表示粉体的流动性也越差。平板角越小，则表示粉体的流动性越好。休止角、崩溃角、平板角、压缩度以及流动指数的计算公式如下8：休止角公式：Qp=( Qp1+ Qp2+ Qp3)/3（式1-1）崩溃角公式：Qf=( Qf1+ Q

18、f2+ Qf3)/3（式1-2）平板角公式：Qs=(Qs1 +Qs2)/2（式1-3）压缩度公式：Cp=(p-a)/ p100%（式1-4）流动指数公式：F=Cp+Qs+Ch+Qp （式1-5）松装密度公式：a=（G1-G）/100（式1-6）振实密度公式：p=（G1-G）/100（式1-7）凝集度公式：Ch= (5ma+3mb+mc)/5*50（式1-8）式中：Qp1、Qp2、Qp3休止角从不同角度的三次测量结果，单位(度)；Qf1、Qf2、Qf3崩溃角从不同角度的三次测量结果，单位(度)；Qs1振动前角度，单位(度)；Qs2振动后角度，单位(度)；G容器质量，单位/g；G1总质量，单位/g

19、；ma上层筛中粉体质量，单位/g；mb中层筛中粉体质量，单位/g；mc下层筛中粉体质量，单位/g。将所测得的各参数按照流动指数计算公式进行计算，对照Carr指数表，来判定粉体流动性大小。粉体的综合流动指数见表1-1。表1-1粉体的流动指数流动指数90-10080-8970-7960-6940-5920-390-19流动程度最好相当良好良好一般不大好不好非常差1.3.1.2测试方法测定粉体流动指标的实验装置为BT-1000型粉体综合测定仪，具体的操作规程如下：（1）放置休止角器具：在仪器中央的定位孔中放置减振器，然后放上休止角实验台和接料盘。如果发现休止角实验台不平整，通过减振器上三个螺丝进行调

20、节，达到水平状态。（2）加料：定时器设置为3分钟，打开振动筛开关，向加料口加料。（3）测定平板角（Qs）：将托盘放置在升降台上，平板放进托盘，将样品撒到托盘中直到埋没平板。然后，升降台降低，平板与托盘分离后，测定平板上样品的角度，从不同方向测量三次。（4）测定休止角（Qp）：样品呈现锥体后停止加料，关闭振动筛开关，将测角器从试样托盘左侧靠近样品，与圆锥斜面平齐时测量休止角。分别从三个不同的方向测量三次。（5）测定松装密度（a）：将减振器、接料盘、密度容器接好，打开振动开关，将密度容器充加满料后，取出密度容器称重。（6）测定振实密度（p）：将透明套筒与密度容器接好，打开振动筛开关，使样品高度到达

21、透明套筒中央，将定时器设置为六分钟，继续振动，直到粉体表面不再下降时停止振动，取出透明套筒称重。1.3.2激光粒度分析仪可以测量粒度范围0.01微米到3000微米。不需要改变量程。可以测出平均径、中位径、众数以及累积百分率处粒子的粒径以及粒径分布。1.3.3图形图像分析仪通过对图像进行处理，测量软件自动统计出颗粒个数，然后计算每个颗粒所包含的像素数，得出颗粒的面积、等效直径、等效周长、实际周长、圆形度等参数。2.实验结果与分析2.1粉体carr指数的测定及结果分析2.1.1流动指数分析表2-1是8个样品的休止角、平板角、凝集度、压缩度的测试结果，及流动指数测试结果。从表2-1中的求解结果可以看

22、出：7号样品的流动性最差，8号样品次之，流动性最好的是2号样品。8个样品的流动指数分别为良好（1、2、4、5号），一般（3、6号）、不大好（7、8号）。从测得的休止角与平板角来看，7号与8号样品颗粒有较强的团聚性，流动性较差，2好样品效果最好。表2-1粉体的流动性指数样品休止角（）平板角（）压缩度（%）凝集度（%）流动指数14068.3393.645.367724158.3386.869.5277.5346.3373.3340.3924.6367.5442.3377.3395.587.0273.5542.3375.3392.156.8272647.6780.6794.535.2667752.3

23、39084.3914.3578519090.479.3582.1.2压缩度分析分别测试8个样品的松装密度、振实密度，并根据公式计算各个样品的压缩度，结果如表2-2所示。表2-2粉体的压缩度样品12345678松装密度（g/cm3）0.530.570.520.530.410.360.300.39振实密度（g/cm3）0.560.630.690.570.440.380.350.43压缩度（%）5.369.5224.637.026.825.2614.39.3松装密度，是指粉体处于自然状态下的密度；振实密度是指对容器震荡，破坏粉体中的间隙，使其处于紧密堆积后的密度。压缩度的定义是，样品的振实密度与松装

24、密度之差与振实密度之比。压缩度数值越小，则说明粉体的流动性越好。从测得的压缩度看，6号样品的压缩度为5.26，是所有样品中压缩度最小的，其颗粒间的孔隙率也最小。从表中结果看出，3号、7号的压缩度较大，所以流动性均不好。其余样品压缩度较小，流动性较好。但是流动指数最大的2号样品的压缩度不是最小，这是因为在计算流动指数时，压缩度所占的权重较小，这也可能是试验过程中的误差造成的。2.1.3凝集度分析凝集度通过颗粒的粒度分布来判定，粉粒分布越均匀，凝聚度也越小。为了测定样品的凝集度需将三个目数不相同的筛子叠放在一起，在最上层筛子上放置50克样品，使用相同振幅震动，完成之后分别测定样品在各层筛子上的残留

25、量。 表2-3是8个样品的凝集度测试结果。从测得的凝集度来看，1、4、5、6、8号的粒度分布较不均匀。3号的凝聚度最小，为40.39，所以，4号的颗粒分布非常均匀。表2-3粉体的凝集度样品12345678凝集度（%）94.5386.8640.3995.5892.1594.5384.3990.472.2激光粒度分析用激光粒度分析仪测定粒径分布、D10（粒径小于它的颗粒占颗粒总数的 10%），D50（中位径，粒径大于它和小于它的颗粒各占 50%）、D90（粒径小于它的颗粒占颗粒总数的 90%）等相关参数9。表2-5为8个样品激光粒度分析结果。8个样品中3号样品颗粒粒径最小， D(0.1)、D(0.

26、5)、D(0.9)分别为43.44、153.26、293.56m，其他样品D(0.5)都在300以上。5号、6号样品D(0.5)超过1000，颗粒较粗，团聚较严重。3号样品的凝聚度也是8个样品中最小的，颗粒分布最均匀，激光粒度测试结果也证实了这一点。表2-5粉体的激光粒度测试结果样品D(10)/mD(50)/mD(90)/m平均径（m）中位径（m）峰值径（m）1127.89348.17481.52593.82581.08727.872311.01754.43989.74589.48578.73726.55343.44153.26293.56138,94107.44213.504186.4158

27、5.30885.28598.38539.35727.555480.911083.451581.00633.04661.94727.536622.011269.571632.99775.78776.86834.217487.40977.191533.19480.84425.71631.22861.90533.13960.10532.72494.60827.442.3粉体的粒形测试及流动性分析用图形图像分析仪对图像进行灰度转换，二值化，分割，删除，剪切，粘贴，缩放，填充等一系列处理，得到颗粒清晰的黑白二值化图像。由此得出粒形。图形图像分析仪测得粉末颗粒的形态学参数主要有长径比和圆度系数10。长径比

28、是指对于柱形物体，其长度与直径的比值。球形度计算结果处于 01 之间，数值越小，颗粒形状越不规则。图2-2至2-9分别为8个样品颗粒粒形测试结果，表2-6至2-13为8个样品的球形度统计表。由测试结果可知，1号样品球形度97.4%，集中在0.60.9之间，说明1号样品粒形组成较简单，形状比较规则。其中，球形度在0.70.9的颗粒个数比例为88%。结果如表2-6所示。表2-6 1号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.5-0.62442.6%0.6-0.79059.5%0.7-0.8286830.2%0.8-0.9549457.8%图2-2 1号样品粒形测试结果2号样品中存在少数粒径较大、

29、形状不规则的颗粒，球度值介于0.20.3之间，比例为0.47%。其余颗粒球度值均介于0.61.0之间，球形度大于0.7的颗粒个数占比达到94.1%。并且，球形度大于0.9的颗粒占到2.3%。说明2号样品球形度较高。表3-8 2号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.2-0.31550.47%0.6-0.717835.4%0.7-0.81384642.1%0.8-0.91632449.7%0.9-1.07662.3%图2-3 2号样品粒形测试结果3号样品颗粒粒径分布非常均匀，颗粒大小相差不大。98.3%的颗粒球形度介于0.50.9之间。其中，球形度大于0.7的颗粒个数所占比例为79.6%。

30、表2-8 3号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.4-0.510721.7%0.5-0.631664.9%0.6-0.7700910.9%0.7-0.81825328.4%0.8-0.93484151.2%图2-4 3号样品粒形测试结果4号样品颗粒粒径较大，颗粒球形度较差，球形度大于0.7的颗粒个数所占比例为71.5%。表2-9 4号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.5-0.625406.9%0.6-0.7763321.6%0.7-0.81776250.4%0.8-0.9743121.1%图2-5 4号样品粒形测试结果5号样品颗粒粒径较大，颗粒球形度分布于0.40.9之间，数

31、值分散说明沙粒形状复杂。球形度大于0.7的颗粒个数所占比例仅为32.7%。表2-10 5号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.4-0.514326.5%0.5-0.6366016.6%0.6-0.7974144.2%0.7-0.8636128.8%0.8-0.98573.9%图2-6 5号样品粒形测试结果6号样品球形度分布跨度非常大，介于0.20.9之间，说明6号样品的粒形是所有样品中最复杂的。球形度大于0.7 的颗粒个数所占比例为27%。表2-11 6号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.2-0.33870.4%0.3-0.485448.7%0.4-0.52416424.5%

32、0.5-0.62191222.2%0.6-0.71701817.3%0.7-0.81653016.8%0.8-0.91008010.2%图2-7 6号样品粒形测试结果 从图像测试结果来看，7号样品的颗粒形状多数近似与线条型，球形度最差，97.5%的颗粒介于0.20.4之间，球形度最大值为0.5。表2-12 7号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.2-0.3468544.3%0.3-0.4563253.2%0.4-0.52662.5%图2-8 7号样品粒形测试结果8号样品颗粒粒径较均匀，颗粒大小相差不大。球形度介于0.40.9之间，其中，球形度大于0.7的颗粒所占比例为20.4%。表2-

33、13 8号样品球形度统计分布表圆度值颗粒数分布比例0.4-0.5326514.2%0.5-0.6291512.6%0.6-0.7781833.9%0.7-0.8421718.3%0.8-0.9483721%图2-9 8号样品粒形测试结果表2-14为8个样品颗粒球形度大于0.7的颗粒个数所占比例。从表以及上述8个样品的图像测试结果来看，颗粒球形度最好的两个样品为2号和1号，其中，球形度大于0.7的颗粒个数所占比例分别达到94.1%和88%。球形度最差的样品为7号，97.5%的颗粒介于0.20.4之间。结合Carr指数测定的流动指数分析可知，8个样品中流动性最好的两个样品分别是2号和1号，流动性最

34、差的是7号样品。上述结果说明，颗粒的球形度越好，其流动性越好。这是因为，球形粒子的相互间的接触面积最小因而具有最好的流动性，立方体的流动性次之，其他不规则形状粒子的流动性一般。片状、枝状和针状的粒子其表面有大量的平面接触点和不规则粒子间的剪切力，故流动性差。7号样品多数为片状、枝状，其流动性最差。表2-14 8个样品颗粒球形度大于0.7的颗粒个数所占比例样品12345678比例（%）8894.179.671.532.727039.3结论通过本次实验得到结论如下：1、8种样品的平板角、休止角、压缩度、凝集度指标通过卡尔指数法测定，并计算出各样品的Carr指数，得出8个样品的流动性好坏依次为：2号

35、1号4号5号3号6号8号7号。2、通过样品的凝集度和激光粒度测试发现，3号样品的凝集度为8个样品中最小，激光粒度是8个样品中最均匀的，结果表明粉体越均匀，其凝聚度也越小。3、通过图形图像分析仪对颗粒粒形进行测试分析，2号样品的球形度最好，其流动性也最好。7号样品颗粒为针、片状，其流动性最差。致谢为期半年的毕业环节已经完成，在这半年中，我所收获的不仅是试验技能的提高，更重要的是锻炼了我的思维能力以及在学习的过程中与老师与同学们的交际能力。首先需要感谢的是我的导师马永新老师。由于我的实验需要在校外完成，所以一周中我能回校的时间很少，马永新老师在百忙中尽可能的照顾我的时间进行答疑，并且对我毕业设计的各个阶段的问题都给予了悉心的解答。使我能够更清晰的理解和分析问题。值此论文完成之际，谨向马永新老