如何量化结块对于流动性的影响？

从原材料、添加剂、中间体到终产品，食品、化学和制药行业中的材料都要求粉体相对自由流动，保证适合于生产过程和终应用。这些材料往往需要长时间的储存，由于颗粒间的相互作用，一些粉体的强度可能增加。这种现象通常称为“结块”，限制了粉体连续生产的能力，也会对产品质量造成不利的影响。

结块通常由机械、化学和热学单项或多项机制产生。水分的吸收和转移往往影响大。若要减少结块，可以通过改变环境条件，使得材料保持状态；也可调节工艺参数 (通常是减少材料静置的时间) 或者改变产品处方。

糖的结块现象

通过测试和理解各种材料的特性，可以评估并降低过程中不同环节的结块风险，保持并提高产品质量。例如，粉体测试结果有助于判断混合搅拌频率，提供后续加工的合适状态，或在袋、桶、散装容器或罐包装时能否保证质量。

存储过程中容易发生结块的问题

无论是哪种机制，若要确定减少结块概率的条件，需要全面理解这些机理所导致的流动性变化。

FT4粉体流变仪™作为一种通用型粉体测试仪，自动、可靠且全面地测量粉体材料特性。这些信息能够与加工经验相关联，提高加工效率，实现质量控制。FT4于动态流动特性的测试，还集成了剪切盒模块，同时能够测量密度、可压性和透气性等整体特性。

动态流动测试原理

在本研究中，使用动态方法测量粉体样品结块前后的流动能量，量化流动性的变化程度。流动能量通过测量原理确定，测量特殊形状的桨叶沿着预设路径在定量的粉体中运动的阻力。得到的扭矩和阻力的测量值与高度计算得流动能量[1]。

样品制备的过程中先将粉体填充入测试容器，之后使用预处理环节得到均匀的内部堆积状态。再切分容器，确保获得对应条件下一定量的样品。

大多数粉体颗粒间粘结作用较强，从而产生较大的流动阻力。有时变化是可逆的，但更多情况下，粉体表面发生变化形成结块。

湿度加剧结块作用

由于多种因素的相互作用，湿度对粉体的影响较为复杂。吸收的水分会形成毛细管桥接，使得分离的颗粒或团块流动所需的力增大。随着时间的推移，吸收的水分还会形成固体桥接，促进化学作用，使得颗粒表面的分子运动增加，加剧塑性变形。

三种食品粉在不同的湿度条件下存储48小时，然后使用FT4进行测试，测量驱使桨叶以设定的流动模式在粉床中运动所得的流动能，研究这些样品对不同湿度条件的响应。

随着相对湿度的递增，食品A的流动能略微增大，说明该样品基本不受环境的影响。相反，食品C在相对湿度76%的条件下流动能显著增大，可能由于蔗糖晶体在高湿条件下部分溶解，颗粒间形成较强的桥接作用。较高的流动能说明粉体在动态过程中难以流动，食品   C在高湿环境下长期存储容易出现问题。

食品B流动能具有不同的变化趋势，表明水分吸收并非一定是不利的因素。与室温条件的样品相比，56%相对湿度条件下的流动能降低。吸收的水分会降低静电作用，而一些情况下，表面水分也会充当润滑剂，从而减小颗粒间相互作用的强度。

不均匀结块 (结壳)

对于特定的粉体，暴露在湿度较高的环境下形成的结块不一定均匀。在一些情况下，结块主要发生在粉体与空气的接触面，导致严重的“结壳”现象，相比粉床下部更难流动。量化“结壳”对粉床的影响程度有助于确定剩余可使用的粉体量。其他的粉体结块评估方法，例如剪切盒、穿刺硬度计和同轴测试等无法量化该现象。FT4测试仪通过桨叶切过粉体评估相对粉床高度的能量梯度，从而测量结壳的强度和深度。

脱脂奶粉（SMP）样品在相对湿度为53%和75%的环境下存储六天，每天使用FT4进行测试，评估粉床中固结的程度和位置。

存储在53%RH环境中的样品，可观察到明显增强的趋势，即粉体与空气接触面形成固体结壳，并随着时间的推移，结构愈加完整，深度也随之增加。但深入粉床底部的固结情况较少，表明致密结壳的形成抑制了粉床下方的水分迁移。

存储在高湿环境（75%RH）中的样品则观察到不同的趋势。类似地，粉体与空气接触面形成固体结壳，此时高度固结的区域随存储时间的推移逐渐深入粉床底部，少量的固结发生于“动态变化”的高度固结区域的上方，由此得到水分渗透至样品的深度。与53%RH测试的结果相同，在结壳高度下，粉体仍保持呈松散状，结壳能够保护其免受湿度环境的影响。研究过程中，该湿度条件足够渗透至容器底部，六天存储后的样品结果也证实，此时样品*固化，无法得到流动能值。

可见这种性能的差异取决于粉体存储的湿度条件，说明湿度不仅对结块程度有影响，而且对结壳强度和深度以及水分在粉体中的迁移速度都产生了影响。

温度加剧结块作用

在递增的温度条件下，颗粒流动或粘弹性增强，颗粒的硬度降低，致使材料发生更大的塑性变形。颗粒间的接触面积增加，粘结的作用 (包括表面化学作用) 也由此增加，促进粉床中的结块作用。如何量化高温和固结负载等因素的影响，并与其它粉体属性（例如，聚合物的玻璃转化温度、粒径或表面形貌）关联，深入理解粉体与存储条件的交互作用，为控温存储提供参考，或者考察温暖气候条件下的粉体存储和加工。

相同质量的三种聚合物粉体在40°C条件下存储48小时，分别在无载荷或施加2kPa载荷的条件下，模拟小型筒仓的存储环境。使用FT4进行测试，评估升温的影响，以及温度和轻微固结对结块属性的影响。

原始样品和存储样品的流动能差值较大，说明长时间存储于高温条件下，三种材料都易于结块。但在未加载荷的状态存储时，三种样品的流动能都发生了一定的变化。聚合物B和C在固结状态下存储，流动能显著增大，而聚合物A的流动能仅小幅增加，这可能是高温和结固应力的联合作用导致塑性变形的程度增加。

这也说明存储条件对终特性产生显著的影响。与聚合物A相比，聚合物B和C存储在高温环境下流动性不发生显著的变化，但增加固结载荷，例如存放在筒仓或小袋中，流动性将发生显著的变化。

化学结块

粉体混合时不同成分之间可能发生化学反应，形成稳定的化学键，导致松散的粉体结块。绘制结块过程的时间函数图，工艺工程师以此优化存储时间和存储量，避免加工过程发生问题。 

相同质量的三种成分混合物 (已知混合后会发生化学反应) 在室温条件下存储十天，分别在无载荷或施加9 kPa载荷的条件下，模拟筒仓的环境条件。每天使用FT4测试样品，评估存储导致流动能增加的情况。

两组条件下不同成分间的反应速度较慢，前四天流动能小幅增加，基本不变。此时间节点之后，反应速度加快，混合物发生结块。随着反应的进行，颗粒表面的化学反应增强，混合物结块，流动能快速增加。

初期固结的粉体比无载荷的样品容易结块，可能是由于颗粒间距较小，范德华力的作用较大。四天后，当化学反应明显影响流动能时，相比无载荷的样品，固结的粉体流动能大幅增加，说明颗粒紧密的堆积状态加剧了结块反应。

以上结果也证明深入理解粉体中化学作用的影响是非常必要的。

结论

随着存储时间的增加，粉体的理化性能受到湿度、温度或应力的影响，终形成结块。这是一系列机制共同作用的结果 (显然不局限于某一外部因素)，会对流动特性甚至加工特性和终产品质量造成严重的影响。这些外部因素可能使得流动性变差，但并非总是如此，在特定的情况下，这些影响因素的组合可能改善了流动性。这也表明粉体流动性并非固有的材料属性，也取决于粉体的加工设备和条件。成功的加工过程需要粉体与工艺的完美结合，粉体在某一过程中性能良好，而在另一过程中却表现不佳，这样的情况并不罕见。 

无论是哪种作用机制，FT4都是量化粉体结块特性和流动属性的有效工具，有助于理解且终优化粉体处方和加工环境，抑制结块的发生并实现加工能力。

[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