颗粒介质中吸湿平衡时间对稳定性特征角的影响机制研究

本研究针对湿度调控环境下颗粒介质稳定性特征角随时间演变的机制问题，通过实验测定球形与不规则几何颗粒在75%-94%相对湿度（RH）下的连续崩塌特征角，首次提出"吸湿平衡时间"(th )概念，揭示几何形态差异导致的最大稳定角变化规律：不规则颗粒在94% RH时稳定角提升7°，而球形颗粒在超高湿度下出现突变增长，表明几何形态通过调控毛细力(cohesive forces)影响介质稳定性。

　　

在自然界和工业领域中，从沙丘演化到药物粉末储存，颗粒介质的稳定性始终是核心科学问题。这类由无数微小固体颗粒组成的集合体，其力学行为既不同于固体也区别于液体，尤其当环境湿度变化时，颗粒间会形成神秘的"液体桥"(liquid bridges)，导致材料特性发生戏剧性改变。尽管前人已发现湿度会影响颗粒介质的特征角——包括标志崩塌临界点的最大稳定角(angle of maximum stability)和崩塌后的休止角(angle of repose)，但关于湿度作用的时间效应、不同几何形态颗粒的响应差异等关键问题仍悬而未决。

来自巴斯克政府资助的研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地采用等效直径500μm的球形玻璃珠与不规则碎玻璃颗粒，在精密控湿环境(75%/84%/94% RH)中系统监测了特征角随时间的变化规律。通过高精度倾角仪测量连续崩塌事件，结合水分吸附等温线分析，首次量化了吸湿平衡时间t_h
与颗粒几何形态的关联机制。

关键技术包括：(1)采用MOIST程序拟合吸附等温线w(φ)=A[(1/(1-φ))-1]^B
；(2)构建湿度可控的崩塌实验系统；(3)通过微分吸附等温线导数ξ_sorption
=?w/?φ表征水分储存能力；(4)基于离散元方法分析液桥力与几何形态关系。实验样本为直径0.50±0.04mm的球形玻璃珠和等效直径0.50±0.06mm的不规则玻璃颗粒。

Granular materials
研究选用两种几何形态的玻璃颗粒：表面光滑的球形微珠与棱角分明的碎玻璃颗粒，通过严格筛分控制等效直径在500μm级别。密度测定采用质量与填充体积比，确保不同形态颗粒的堆积状态可比性。

Results and discussion
吸附等温线显示两种颗粒的水分储存能力相近，但动力学响应截然不同：不规则颗粒在75%-94% RH范围内最大稳定角呈7°线性增长，而球形颗粒在94% RH时出现突变性增大。这表明在超高湿度下，球形颗粒间液桥力(cohesive forces)产生更强的协同效应。休止角被证实与t_h
无关，说明崩塌后重组过程不受吸湿动力学影响。

Conclusions
研究确立了吸湿平衡时间t_h
作为颗粒介质稳定性的关键时间尺度，其值取决于颗粒几何形态、堆积高度及水分扩散率D_w
。特别发现：(1)不规则颗粒因接触点几何约束，毛细力较弱且响应连续；(2)球形颗粒在94% RH时因液桥网络协同作用产生稳定性突变；(3)水分扩散率D_w
由蒸汽渗透率δ_v
和吸附能力ξ共同决定。该成果为制药、建材等行业的防潮储存工艺提供了定量设计依据。

CRediT authorship
I. Gomez-Arriaran作为第一作者完成从概念设计到论文撰写的全过程，Y.L. Roht等合作者贡献了离散元分析技术。研究获巴斯克政府MV_2017_1_0002等项目资助，论文特别纪念逝去的合作者Luc Oger在颗粒动力学领域的开创性贡献。