用于细粉流动性评估的湿度响应喷射技术

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Humidity-responsive jetting for flowability assessment of fine powders

粉末流动性控制与瞬冲动射法评估

　　在现代工业制造中，粉末材料的流动性对于工艺设计和产品质量至关重要。尤其是在制药、电池浆料、功能性粉末等涉及细粉材料的应用中，湿度对粉末流动性的控制成为关键挑战。由于湿度变化会导致粉末颗粒之间的黏附增强，这种黏附现象会以复杂且依赖历史的方式影响粉末的流动性，使得实时评估变得尤为困难。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种基于脉冲喷射的简单且敏感的评估方法，能够通过分析喷射高度和动态特性，准确反映湿度对粉末黏附和流动性的影响。

### 粉末流动性的挑战与传统方法的局限

粉末的流动性通常指的是其在受力作用下自由流动的能力，这一特性直接影响着制造过程中的填充均匀性、物料传输效率和最终产品的质量。然而，当粉末暴露于高湿度环境时，颗粒间的黏附力显著增强，这不仅导致流动性下降，还可能引发颗粒聚集或结块，进而影响加工性能。这种现象的复杂性源于多种物理机制的相互作用，包括范德华力、毛细桥作用、静电相互作用以及摩擦效应。这些相互作用会随着颗粒的形状、表面粗糙度和化学性质的变化而有所不同，使得在实际操作中难以准确预测和控制粉末的流动性。

传统方法，如粉体流变仪和电子显微镜，虽然能够提供详细的粉体流动性信息，但它们通常需要大量的样品，并依赖专门的设备和操作人员的经验。例如，FT4粉体流变仪通过测量旋转桨叶所需扭矩和力，评估粉体的流动特性，但其测试过程通常是在剪切或准稳态条件下进行的，且时间跨度较长，难以适应实时监测需求。此外，一些常规方法，如测量休止角，虽然可以提供粉体流动性的间接信息，但其测量结果容易受到环境条件和实验误差的影响，限制了其在高精度评估中的应用。

### 脉冲喷射方法的提出与优势

为了解决传统方法在实时性和敏感性方面的不足，研究人员提出了一种基于脉冲喷射的新方法。该方法通过在预形成的凹面粉末层上施加短时冲击力，观察由此产生的垂直喷射行为。喷射的高度和动态特性与颗粒之间的黏附变化密切相关，因此可以作为评估粉体流动性的一个有效指标。该方法仅需少量样品（约12毫升），具有高可重复性和高灵敏度，能够捕捉到传统方法难以识别的细微黏附变化。

实验中，研究人员使用了具有均匀形状和光滑表面的玻璃珠作为模型材料，以减少形状差异对实验结果的干扰。通过控制实验环境的湿度，玻璃珠在不同湿度条件下被预先处理，以确保其达到目标湿度的平衡状态。随后，将玻璃珠装入测试管中，并通过电磁装置悬吊测试管，使其自由下落。当测试管撞击预设的金属地板时，会形成一个垂直喷射，其高度和速度被高速摄像机记录下来，用于分析粉体的流动性变化。

### 实验结果与分析

实验结果表明，随着湿度的增加，喷射高度和速度显著下降。这说明湿度增强会提高颗粒间的黏附力，从而降低粉末的流动性。在相对湿度低于60%时，喷射行为较为稳定，而超过70%后，喷射高度明显减少，表明黏附力增强对粉体流动性产生了显著影响。此外，喷射过程中出现的不稳定性，如局部黏附和碎片化，也进一步证明了湿度对颗粒间相互作用的复杂影响。

研究人员还观察到，喷射行为对颗粒大小具有显著依赖性。对于较大的颗粒（如605微米的玻璃珠），在低湿度条件下难以形成喷射，而较小的颗粒（如45微米的玻璃珠）则更容易产生喷射。这种差异源于颗粒之间的接触面积和摩擦力的变化，较小颗粒由于更高的接触密度和更强的摩擦力，更易受到冲击力的影响，从而形成喷射。然而，当颗粒尺寸增加时，喷射行为会变得更加不稳定，甚至在某些情况下无法形成喷射。

### 方法的适用性与未来展望

尽管本研究主要聚焦于湿度对粉体流动性的影响，但该方法同样适用于其他类型的颗粒间相互作用。例如，通过使用非球形颗粒（如砂糖），研究人员发现喷射方法仍然有效，尽管这些颗粒具有更高的摩擦力和更复杂的表面结构。这表明，该方法不仅适用于湿度敏感的粉体，还可以用于评估其他形式的颗粒黏附，如静电作用或液桥效应。

此外，研究人员还探讨了该方法在工业环境中的潜在应用。由于喷射方法所需样品量小、操作简便且能够在现场实时监测，因此它特别适用于需要频繁检测粉体流动性的情况。例如，在制药行业中，喷射方法可以用于监测粉体在生产过程中的流动性变化，从而确保产品质量的一致性。在电池浆料处理中，该方法可以帮助优化浆料的流动性，提高电极制造的效率。

为了进一步提高该方法的适用性，研究人员计划探索更多复杂的粉体系统，如非球形颗粒、高吸湿性材料以及粒径分布较广的粉体。这些材料在工业应用中更为常见，因此研究其流动性变化具有重要意义。同时，研究人员还考虑了如何减少记忆效应的影响，例如通过振动、脉冲气体流或声波辅助等手段，以确保测试结果的准确性和可重复性。

### 结论

本研究提出的脉冲喷射方法为评估湿度对粉体流动性的影响提供了一种新的、高效的解决方案。该方法不仅具有高灵敏度和可重复性，还能够在小体积样品中实现高精度的实时监测。通过分析喷射的高度和速度，研究人员能够准确反映颗粒间的黏附变化，从而为粉体处理工艺的优化提供重要依据。未来，该方法有望在更多工业领域得到应用，为粉体材料的处理和控制提供更可靠的技术支持。