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粉末登場:不要再瞎攪和了

104/09/02 瀏覽次數 16507
很多日常生活中接觸到的物質與工業上半成品或最終產物,都是以粉粒體的形態存在,在製藥、陶瓷、水泥、化妝品、粉末冶金、食品加工、高分子加工等工業的半成品與最終產品中,更是常見粉粒體。這些粉粒體的粒徑大至數十毫米,小至數奈米。

在工業製程中,為了「處理」這些粉粒體,發展出許許多多的操作單元,如混合、造粒、輸送、貯存、乾燥、包衣等,其中,粉粒體的混合往往是影響產品品質最重要的單元之一。例如,在藥錠的製作過程中,必須把具有療效的有效成分粉體與其他不具療效的粉體(如賦形劑、結合劑、崩散劑等)均勻混合;化妝品中的粉餅在製程中也需要混合具有不同功效的粉體及色料。這類產品倘若混合不均,就會造成藥錠的藥效不一、粉餅的機能性及色調不均勻,不僅影響產品品質,更可能危害生命!

粉體混合的目的是希望不同的粉體在混合器中達到一定的均勻度,因此第一個問題就是如何判斷「粉體混合的均勻性」。根據產品的特性,粉體混合的均勻性可以是均勻的化學組成分、均勻的粉體粒徑分布或均勻的熱力學性質等。

第二個問題是,判別均勻性的樣品大小(尺度)為何?合適的均勻性判別大小與產品的最終端使用相關。例如:評估胃藥粉的混合均勻性時,合適的樣品大小是一小口的分量(約數克);評估綜合穀物脆片的混合均勻性時,合適的樣品大小是一碗(或者是一口)。倘若分析胃藥粉時,誤以一整罐胃藥粉來分析混合均勻性,也許在這一罐中胃藥粉各成分的比例是符合要求的,但因實際食用胃藥粉時的分量是一匙,這一小匙胃藥粉的成分比例可能與整罐胃藥粉的成分比例有所差異。

在判斷粉粒體混合均勻性時,不太可能針對整貨櫃、整槽的粉粒體產品依照合適的均勻性判別大小逐一採樣分析,往往需要利用取樣器在整貨櫃、整槽中取出具有代表性的數十、數百個代表樣品,再針對這些樣品進行分析。以這些取樣樣品混合均勻性的分析結果,運用統計的概念來推估整貨櫃、整槽的粉粒體混合均勻性。

工業上常利用取樣棒插入整貨櫃、整槽的粉粒體中取樣。取樣棒的基本設計是一中空管狀物,插入系統後,藉由機械力或流體幫助粉體填入中空的部分,然後抽出取樣棒,再分析取樣棒所夾藏「偷」出的粉體樣品。若是能在粉體運動中動態取樣,可大幅降低插入取樣棒時粉體狀態的破壞。取樣後,使用某種的混合指標來評估整體粉料的均勻性,目前最廣泛使用的混合指標是雷希混合指標(Lacey mixing index)。

大多數的人對於混合不同的粉體,會直覺地認為應該不是件很困難的事。把粉料裝入容器中,搖一搖、晃一晃,不足時,再加上攪拌翼、攪拌棒攪和一下,應該就可達到粉粒體均勻混合的目的。然而,粉粒體的混合操作事實上非常困難。據估計,美國每年因粉體混合不良所造成的損失高達60億美金!以生活中隨手可得的食鹽與綜合香料混合為例,把食鹽與香料放入玻璃罐中,上下、左右劇烈搖晃數下,仔細觀察仍可發現食鹽散布不均,部分分布於罐壁邊並不混入綜合香料中,混合結果完全不如預期。

再看看另一個實例,把購買的綜合穀物脆片放到容器中,上下搖晃數下,就可發現一個十分有趣的現象,葡萄乾大多分布在穀物混合物的上層。當小朋友一口口吃到碗中、碗底時,應該會非常不高興,因為沒有葡萄乾了!

由以上兩個日常生活中隨手可得的例子,可見要均勻地混合粉粒體實在不是一件容易的事。造成粉粒體不易均勻混合的原因很多,其中不同粉粒體間的物理性質差異往往是造成混合不均勻的主要原因。不同的粉體有不同的粒徑、比重、形狀、表面粗糙度、彈性、流動性等物理性質。在運動的狀態下,有相似物理性質的粉粒體會聚在一起,不同物理性質的粉粒體會被排擠,形成所謂的「偏析」現象。

穿透偏析、行徑偏析,以及流體化偏析是粉體混合器中造成「物以類聚」偏析的罪魁禍首。當混合粒徑不同的粉體時,若粉體間粒徑比差異超過1.4倍以上,在粉體運動的過程中,小粒子比較容易鑽過粒子床的空隙掉落至混合器底部,造成穿透偏析。

行徑偏析的產生則是由於具不同物理性質的粉體在運動時,因為流動性的差異造成流動性良好的粉體跑得快、跑得遠,流動性不良的粉體跑得慢、跑得近,具有不同物理性質的粉體在混合器中跑出不同的運動途徑而產生偏析。

另一方面,使用氣流或液體流來吹動粉粒體運動時,當氣體或液體流速超過粉體的最小流體化速度時,粉體會被吹起。這類的流體化運動可以讓不同的粉體混合,但較小、較輕的粒子因為終端速度較小,容易被氣體吹起而滯留在混合床體的上層;較重、較大的粒子則滯留在混合床體的底部,造成混合不均的流體化偏析。

哪些機制可以抗衡偏析,促進粒子的混合均勻性呢?主要的粉體混合機制包含對流混合、剪切混合,以及擴散混合。混合機的攪拌翼、槽體迴轉或流體通過造成粉體群大規模的移動,就是對流混合。這種大規模式的粉體搬動,在粉體混合初期可觀察到顯著的混合功效。

在混合器壁面、攪拌翼尖端具有明顯速度差異的地方,粉體群內部顆粒間運動也有速度差,造成局部的不連續滑移面,破壞團聚顆粒間的相互作用,使得彼此間如被剃刀般地剪切力分離,而增進局部混合的均勻度,這就是剪切混合。而散步般運動的粉體顆粒以類似於分子擴散的方式向四周隨機移動,造成擴散混合。這種混合機制使得局部區域混合均勻,因此在混合操作末期扮演非常重要的角色。

經由上述的說明,可知有效的粉體混合必須先掌握欲混合粉體的物理性質,再根據粉體的物理性質選擇適合的混合器來增進對流、剪切、擴散,避免穿透、行徑、流體化床的偏析發生。工業上,也根據這準則設計出不少的混合器。例如依照混合器槽體的運動方式,可分成槽體迴轉型混合器與槽體固定型混合器。

槽體迴轉型混合器通常是非連續的批式操作。槽體迴轉型混合器主要是透過轉軸帶動槽體旋轉,使得粉體受到重力、慣性力、離心力的影響,在槽體內翻動而達到混合的目的。混合的轉速不宜過高,避免粉體因離心力過大而都貼附在槽體壁面,無法進行混合。由於混合器軸承的承載限制,一般迴轉型混合器的容積通常小於 5.5 立方公尺,粉體的體積填充率則多介於30~50%之間。由於迴轉速度慢,可避免磨耗粉體。

這種混合器是透過翻滾促使粉體混合,在轉軸方向的運動通常較緩慢。為了減低混合所需時間,可在槽體內部裝上攪拌葉片或擾流板,一方面提升粉體混合效率,另一方面降低偏析現象發生的可能性。此外,由於槽體沒有與轉動軸承接觸,粉體受軸承軸封油汙染機率不高。這種不易受汙染且各批次操作間可以輕易清潔的特性,使得槽體迴轉型混合器廣受製藥業及食品業的歡迎。

要注意的是,槽體迴轉型混合器僅適用於混合流動性佳、物理性質差異小的粉體。若粉體的物理性質差異大,尤其是粒徑比差異大於1.4,易發生穿透偏析與行徑偏析的現象。

槽體固定型混合器則是槽體固定不動,使用攪拌翼攪拌、螺桿推動、氣流輸送等方式使粉體運動而達到混合目的。槽體固定型混合器因為不需要迴轉空間,混合器的容積一般較迴轉型混合器大,可以混合較多的粉料,粉體的體積填充率則多介於40~60%之間。由於加裝了攪拌翼、螺桿等裝置,有效加強了剪切混合機制而提升混合效率,可用於連續式操作,但也產生不易清潔、易汙染的問題。

使用氣流輸送的流體化方式進行粉體混合,是相當省能、簡單的粉體混合器。在結束氣體的輸送之後,整體容器又可以當成暫時性的儲槽使用。這種多功能的混合器廣受業界所愛用,但可能發生流體化偏析,需格外注意。

在工業上選擇適用的混合器時,必須考慮以下幾點:混合物料的物理性質、混合均勻程度(大小)的要求、混合器容量、操作便利性、易清潔性、操作費用等。

本文提供讀者粉體混合的基本概念、工業上常用的混合器,以及選擇的方針,希望讀者對粉體混合技術產生不一樣的想法。寄望讀者能了解粉體混合不但與我們日常生活息息相關,更是一門藝術!
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