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粉体の基本的な物理的特性評価

粉体特性評価とは?

粉末は固体粒子で構成されており、粒子の大きさや形状を含む様々なパラメータを通して定義することができます。しかし粉末の特性は個々の粒子だけでなく、粒子間にも空気が存在し、空洞が存在する可能性があるため、単純に粒子の特性の属性によって定義されるものではありません。流動性、圧縮性、密度などの粉末特性に影響を与えます。粉末特性評価は多くの産業で重要です。その中でも医薬品、添加材、および塗料の製造では最終製品の性能が粒子特性により大きく影響されるため特に重要視されています。

安息角、崩壊角、差角、スパチュラ角

安息角、崩壊角、差角とは?

安息角とは、粉体が特定の条件下で水平面に自由落下によって形成される粉体の山の傾斜面と水平面との間の角度です。安息角は粉末の流動性を直接反映するため重要な指標です。安息角が小さいほど流動性は良くなります一般に、摩擦角と安息角はほぼ等しいと考えられています。ソルガムなどの一部の材料では、2つの角度の大きさが異なる場合があります。

 

崩壊角は、安息角に粉体の山が一定の外力衝撃にさらされた後に得られる角度です。振動中、粉体粒子は傾斜面に沿って粉体の山を滑り落ち、その結果傾斜角が減少し崩壊角と呼ばれます。

 

差角は、安息角から崩壊角を差し引くことによって計算されます。差角は、粉体の噴流性を評価するために使用できるいくつかのパラメータのうちの 1 つです。差角が大きいほど噴流性が良好であることを示します。

安息角の測定方法?

粉末材料の安息角は、材料の最終的な用途に応じてさまざまな方法で求めることができます。安息角の値は、粒子径分布、粒子形状、粒子表面の摩擦などのさまざまな要因の影響を受けます。安息角を決定するために、固定漏斗法、円形プラットフォーム法、傾斜法、回転シリンダー法の4つの方法が一般的に適用されます。

同じ粉末材料であっても異なる測定方法を適用すると測定結果は異なります。したがって安息角を決定するには、用途に応じて適切な測定方法を選択することが重要です。

 

固定漏斗法

粉末を漏斗から注いでプラットフォーム上に置き、円錐を形成させます。所定の高さまたはベースの所定の幅に達すると、粉末の注入が停止されます。この場合、粉体の山の傾斜面と水平面との間の角度が安息角となります。測定中、漏斗の高さはゆっくりと安定して上昇し、落下する粒子による測定結果への影響が徐々に軽減されます。

 

円形プラットフォーム方式

粉末は漏斗を通して注がれ、特定の直径を持つ円形のプラットフォーム上に置かれます。 落下する粒子によって円錐が形成されます。粉末粒子が円形プラットフォームの端に向かって落下し始めるとき、粉体の山の傾斜面と水平面との間の角度が安息角になります。

 

傾斜法

粉末粒子を平板上で平らにし、平板の片面を上に持ち上げます。粉末粒子が傾斜板に沿って滑り落ち始めるとき、傾斜板と水平面との間の角度が安息角です。

 

回転シリンダー法

粉末を透明なシリンダーに入れます。シリンダーが特定の速度で回転すると、粉末の傾斜面が現れます。傾斜面と水平線との間の角度が安息角です。

スパチュラ角とは?

粉末に覆われたスパチュラが垂直に上方に持ち上げられたとき、粉末の傾斜面と水平面との間の角度をスパチュラ角と呼びます。スパチュラ角が小さいほど流動性が良くなります。一般に、スパチュラ角は安息角よりも大きくなります。

 

かさ密度、タップ密度

かさ密度、タップ密度とは?

かさ密度とは、粉末を軽く充填したときの、単位体積あたりの粉体の質量です。かさ密度は以下の式で計算できます。

ここで、ρBはかさ密度、Mは質量(g)、VBはかさ体積(mL)です。かさ体積には、粒子固体、粒子間空隙、および粒子内の細孔の体積が含まれます。

かさ密度は粉末粒子の空間配置に大きく影響されます。タップ密度は、容器を機械的に叩いて規則的な振動を発生させ、粉末粒子を再配列させ、粒子間の空隙の体積を減らすことによって測定されます。したがって、空隙が少なくなるとタップ密度はかさ密度よりも大きくなります。タップ密度の計算は、特定の時間内の定期的な振動後にタップ密度テスターを使用して実行できます。

圧縮度、Hausner比とは?

圧縮度とHausner比は、粉末材料の流動性を示し、かさ密度とタップ密度から計算されます。

圧縮度の計算式:

Hausner比の計算式:

ここで、ρT はタップ密度、ρB はかさ密度です。

 

粉末の流動性は、圧縮度またはHausner比に基づいて特徴付けることができます。材料の圧縮度またはHausner比が低いほど、流動性が優れていることを示します。圧縮度が10未満またはHausner比が1.11未満の場合は「優れた」流動性とみなされますが、圧縮率が38を超えるかHausner比が1.60を超える場合は「非常に悪い」流動性とみなされます。

流動性指数と噴流性指数

流動性指数とは?

流動性は、重力下での粉末の流動特性を説明するために使用されます。安息角、圧縮度、スパチュラ角など一つのパラメータだけで流動性を簡単に評価できます。ただし、流動性はさまざまな指標に関連する特性であり、粉末の特性評価に関連する多くのパラメータ合わせることでより厳密に表現できます。

 

安息角、圧縮度、スパチュラ角、凝集度または凝集度に基づくCarrが提唱した指数法は、粉末の流動性を評価するためのより包括的な方法です。均一度は、D60をD10で割ることによって計算できます。凝集度は、サンプルを一定時間振動させた後、各ふるい上の粉末の重量を測定することによって決定されます。

 

Carrの流動性指数

粉体の流動性は粒子径分布、粒子形状、密度、静電状態など多くの要因に影響されますが、その中でも粒子径分布と粒子形状が最も重要な要素です。例えば研究によると、粒子径が 100μmより小さい粒子の割合が減少すると、流動性が向上します。

噴流性指数とは?

噴流性指数は、空気または流動化にさらされたときの粉末の飛散特性を説明するために使用される指標です。流動性指数と同様に、Carr指数チャートによれば、流動性は粉末サンプルの4つのパラメータ、つまり流動性指数、崩壊角、差角、分散度の4つの指数の合計によって評価できます。次の表は、パラメータ値が対応する指数にどのように変換されるかを示しています。

 

Carrの噴流性指数

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