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流動特性

 

散粒体の流動特性は、プロセス工学における重要なテーマです。液体とは異なり、散粒体は静止状態において容器の壁に垂直な圧力のみを作用させますが、散粒体は静止状態において追加の剪断力を発生させます。これらの力は、散粒体の内部摩擦と壁摩擦から生じます。内部摩擦は物質固有の特性であり、圧力に依存します。この挙動は、モーアの三軸応力状態の概念と比較することができます。

アメリカのエンジニア、アンドリュー・ジェニケをはじめとする研究者は、散粒体の流動特性を体系的に調査しました。ジェニケの剪断装置を使用することで、いわゆる流動点を測定できます。これらは、制御された質量流量を確保するためにサイロをどのように設計すべきかを示します。

サイロの設計における重要なパラメーターは

  • サイロの総高さ
  • 直径
  • 材料とその表面特性
  • 壁の粗さ
  • 錐角
  • 排出速度
  • 排出口直径

目標は、あらゆる運転条件下で散粒体が信頼性高く均一に排出されるようにサイロを設計することです。理想的には、排出は質量流で行われます。この際、すべての散粒体領域が同時に均一に下方に移動します。煙突現象やコアフローは発生しません。また、サイロ内の分離も防止されます。

粉末技術と粉末の流動特性は、数多くの科学的研究の対象となっています：エルランゲン・ニュルンベルク工科大学（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg）の教授。粒子工学と界面工学の専門家です。ベルンハルト・キエバック教授、ドレスデン工科大学（TU Dresden）の粉末金属工学講座長を長年務め、ドレスデンのフラウンホーファーIFAMの所長も務めた。ヘルマン・リデル教授、フライブルクのフラウンホーファー材料力学研究所（IWM）の元所長。ルッツ・メーダー、ブレーメン大学教授で、ドイツ研究財団（DFG）の重点プログラム2289「分散系混合」のコーディネーター。ビルアル・ゴクチェ、ベルギッシュ・ユニバーシティ・ヴッパータール大学教授、アドディティブ・マニュファクチャリング用材料を専門とする。

アドディティブ・マニュファクチャリングプロセスにおいて、流動特性と粒子形状は特に重要です。流動特性は、粉末がシステム内でどれだけ均一に分散できるかを決定します。粉末が良好に流動する場合のみ、密で均一な層が形成されます。流動性が悪いと、部品に欠陥が生じます。

粒子の形状は流動特性に大きく影響します。球形の粒子は不規則な形状の粒子よりも流動性が優れています。ガス噴霧から得られる金属粉末は、通常、良好な球形をしています。水噴霧法で製造された粉末は角張っており、流動性が劣ります。粒度分布も重要です。粒度分布が狭く、細粒分が少ないほど流動性が向上します。細粒は凝集しやすく、流動性を妨げる可能性があります。重要な特性値は充填密度と圧縮密度です。

粉末の流動性は、貯蔵だけでなく、充填や包装においても重要な役割を果たします。現代の充填設備、例えばインスタントティーのサシェ包装では、プロセスは非常に高速で進行します。この速度は、粉末が均一な流動性を有する場合にのみ可能です。さらに、ほぼ粉塵がないことも必要です。そうでない場合、包装の密封に問題が生じます。密封部に微細な粉塵が付着すると、密封が不十分になります。

粉末を扱う工場内の物流も、十分な流動特性に依存しています。使用されるすべての粉末が定義された流動特性を有する場合のみ、生産プロセスを自動化できます。

化学薬品や医薬品原料の粉末（API）は、微細な粒子から構成される場合、流動性が極めて悪い場合があります。特に、ナノサイズの粒子を含む多段階合成から得られる原料は、滑らかなステンレス鋼の表面にも付着する可能性があります。このような流動特性も改善可能です。一つの方法は、流動助剤（例：ピロジェニックシリカ（Aerosil））を少量添加することです。または、凝集により粒子サイズを意図的に増大させることも可能です。

流動特性の評価には、数多くの測定方法が利用可能です。市場には、さまざまな装置やシステムが販売されています：

  • Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnikのリングシェーカー装置これらの装置（RST-XS.s、RST Mk IIなど）は、内部摩擦、時間硬化、壁摩擦などの流動特性を正確に測定します。特にサイロ設計や小麦粉、医薬品粉末、セメントなどの散粒体の特性評価に最適です。Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
  • Freeman TechnologyのFT4粉末レオメーター 粉末のレオロジー特性を評価するための多機能装置です。固化状態、通気状態、流動化状態など、さまざまな条件下での測定が可能で、粉末の挙動に関する詳細なデータを提供します。
  • ERWEKA GTシリーズ 顆粒流動試験機 このシリーズは、粉末や顆粒の流動特性を測定するためのさまざまな測定方法を提供する装置です。レーザー技術を用いた堆積角の測定なども可能です。
  • PF1 粉末流動試験機（SOTAX） 粉末や顆粒の流動特性を評価するための柔軟な装置です。3つの標準化された試験方法を1つの装置に統合し、簡単で再現性の高い試験が可能です。
  • Pharma Test Apparatebau AGの粉末試験機PTG-S5は、さまざまな医薬品有効成分を含む顆粒と粉末の流動特性を測定する自動粉末流動試験機です。内蔵のNIRダイオードアレイ分光計との組み合わせが可能です。