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粉末登場：粉體流動性與填充率

104/09/02 4995

傅曉偉｜ Freeman Technology（英國）

林昭榮｜臺灣大昌華嘉公司

粉體流動備受重視

粉體流動性質近年來備受重視，各產業都陸續投入研究，尤其以粉末冶金與製藥兩大領域最為顯著。

粉末冶金的壓鑄製程必須把金屬粉末填充至模具中再壓鑄成形，而填充的扎實與否會影響鑄造出來產品的強度，因此研究粉體流動性質與填充的關係是不可或缺的。

製藥工業以往偏重於成分的化性分析，然而隨著法規的越加嚴謹，藥品的物性分析也受到重視。例如，藥錠的硬度以及崩散速率會影響病人服藥的效果，因此在填充打錠的製程中就必須控制好，才能掌握藥錠的品質。

此外，平時到大賣場比價買東西，常會落入買到低容量產品的陷阱，讓商人從中賺取更大的利潤，這也跟我們要探討的主題有很大的關係。

與填充率有關的粉體特性

為釐清不同粉體特性對於填充率的影響，選擇了大玻璃球、小玻璃球，鋁粉以及鎢粉4種材料進行實驗，並預先請100名學生就這4種材料的照片憑直覺評估其填充率。結果約有2成的同學認為最好的應是鎢粉，因為粒徑最小，所以應該能夠填充得較密實。而近8成的同學選擇小玻璃球，認為玻璃球相較於鋁粉與鎢粉，形狀圓、表面較光滑，因此較不容易產生架橋及結塊，而小玻璃球粒徑又較小，因此選擇它。至於填充率最低的材料，眾人都直指形狀不規則且粒徑較大的鋁粉。

填充速度與填充率成反比，以自動填充機在固定速度下實驗，發現填充率由高至低依次是（a）大玻璃球＞（b）小玻璃球＞（c）鋁粉＞（d）鎢粉，與大家直觀的預測不同。

填充率低落常常是因為粉體內聚力高於重力，因此容易形成小團塊，使排列不夠緊密。藉由氣體使粉體流態化，分析粉體的內聚力，發現鎢粉在氣體流態化後能量最高，而其他3種材料都十分低，表示鎢粉內聚力最高，與最低填充率的結果有關聯。

此外，形狀及表面是否粗糙也是架橋與否的指標，因此分析粉體流動時其間的摩擦力，便可清楚辨別哪些材料容易架橋。結果發現，摩擦力依舊是低填充率的鎢粉最大，其次是填充率排第3的鋁粉，再度印證粉體特性與填充率之間確實有關聯性。

但大、小玻璃球的填充率與摩擦力卻未呈現相關性，要釐清這現象，必須從第3種物理意義來破解。

粉體在流動時，其中常有空氣而影響填充緊密度，甚至會阻撓粉體流動，因此透氣性高的粉體較容易流動並提高填充率。使氣體通過載滿粉體的槽體並計算壓力差，就可知道壓力差較大的粉體較不易使氣體通過。小玻璃球由於形狀圓潤且粒徑小，使排列過於密實，因此快速填充過程中空氣容易包覆在粉體間，因而造成低填充率。

從前述可知，粉體的流動特性是左右填充加工條件甚至產品特性的重要因素。但由於粉體流動特性非常複雜，受許多物理性質的影響，諸如顆粒大小、形狀、表面結構、比表面積、硬度、密度、吸水性、內聚力，甚至靜電、彈性等都必須鉅細靡遺地比對，往往花費過多人力與時間卻效果不彰。因此，從影響填充率的因素回推流動性與填充率的關聯性，可聚焦目標，達到事半功倍的效果。

資料來源

《科學發展》2015年9月，513期，22 ~ 23頁

粉體(3) 科發月刊(5210)

粉末登場：粉體流動性與填充率

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