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粉末登場:粉體流動性與填充率

104/09/02 瀏覽次數 4793
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。
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