2020-04-15
一、介紹
1、理論框架
顆粒狀材料和精細粉體在工業上有著廣泛的應用，為了控制和優化加工方法，必須對這些材料進行精確表征。表征方法既與顆粒的性質（粒度、形態、化學成分等）有關，也與粉體的行為（流動性、密度、共混穩定性、靜電性能等）有關。然而，關于散裝粉體的物理性能，大多數在研發或質量控制實驗室使用的技術是基于舊的測量技術。在過去的十年中，我們更新了這些技術，以滿足研發實驗室和生產部門目前的要求。特別是測量過程自動化并開發了嚴格的初始化方法，以獲得可重復和可解釋的結果。利用圖像分析技術提高了測量精度。
一些用以涵蓋對所有工業加工粉體和顆粒材料的測量方法應運而生。在本應用中著重對GranuHeap設備進行介紹。
2、GranuHeap
當粉體被傾倒在平面時就會形成了堆狀。*，休止角和堆積形狀都與粉體特性密切相關。特別是粘性粉體會形成不規則的粉堆，而非粘性粉體形成規則的錐形粉堆。因此，精確地測量粉堆形狀能夠獲得粉體物理特性的有用信息。
GranuHeap是一種基于對粉體堆形進行圖像處理和自動化分析的測量方法。為了獲得高重現性的結果，Granuheap使用了一個內徑等于圓形支架的套管，實驗開始前，套管將被安裝在粉體樣品的托架上。首先，用手將固定體積的粉體（通常為100毫升）填裝到套管后，套管以恒定的速度上升。此時，粉體從管中流出，在圓柱支架上形成粉堆。通過控制托架的旋轉，可以獲得不同方向上對應的粉堆投影。全自動圖像識別算法確定粉體/空氣界面的位置。休止角便是指與粉體堆投影圖像表面積相同的等腰三角形的角度。這個等腰三角形得形狀與粉堆內聚力相對應。在旋轉托盤時，從不同角度來計算每個圖像中粉堆的休止角，然后計算平均值。對于非粘性粉體，該靜態粘聚指數接近于零，當分體內部粘聚力增強時，該靜態粘聚指數增大。下表顯示了用GranuHeap得到的結果與粉體流動性之間的經驗關系。
二、實驗方案
1、材料
本應用中選擇三種不同的粉體：FlowLac100、GranuLac70和InhaLac400。上述三種粉體均由Meggle Pharma提供。
GranuLac是粒度小并且邊緣銳利的乳糖顆粒，具有粘性粉體的性質，在造粒過程中十分有優勢。
InhaLac是一種高質量的結晶乳糖粉，專為干粉吸入制劑設計。
FlowLac是將經過精磨的單晶乳糖混懸液進行噴霧干燥生產出粉體。當溶液中的乳糖被噴霧干燥時，水分被快速去除，因此除結晶乳糖外，同時也產生了無定形物和非晶狀的乳糖。
圖1 乳糖特性
2、方法
在每個實驗中，我們選擇了直徑為40/30/20和10mm的托架。為提高測量精度，將粉堆旋轉過程中拍攝16張照片（每張照片都在托盤旋轉11.25度后拍攝）。在分析結束時，后拍攝一張照片，在測量時檢查粉堆的完整性。
所有實驗均在相同的濕度/溫度值（30% RH和21℃）下進行。所有的實驗都重復了5次。
輔料在實驗室人為存放了幾個月。因此，樣品會產生復雜的變化過程，其性能是否與生產商所描述新鮮粉體的規格一致就很難知曉。
3、實驗結果
下圖表示每種粉體和托盤直徑的休止角對應關系。直線并不對應于模型，他們只是用來方便觀察。誤差棒顯示（對應5次重復性試驗獲得的休止角的標準差）。
圖2 三種乳糖粉體的休止角與托盤直徑的關系-直線僅是方便觀察
圖1可以總結出托盤對休止角結果的影響。事實上，我們可以看到，對于流動性較差的粉體（靜止角度小于55度），托盤直徑越小，休止角越小。然而，對于流動性“非常非常差”的粉體（休止角大于66度），托盤直徑與測量結果沒有太大關聯（如果考慮誤差棒）。
然而，對于同一直徑的托盤，粉體流動性分類的趨勢是相同的。因此，可以很容易地實現分析分類，并且具有很高的精度（平均誤差接近3.5%）。后，由于粉堆形狀分析是相對測量，因此可以得出這樣的結論：更改托盤直徑不會直接影響分析結果。
三、結論
GranuHeap可以在多個尺寸規格的托盤條件下測量粉體的流動性，并具都有很高的精確度（乳糖粉的平均誤差3.5%）
托盤尺寸對測量結果有輕微的影響，然而，就流動性變化趨勢而言是相同的，因此粉體的分類是不隨所使用的托盤尺寸不同而產生不同的結果。
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