粉体的特征与粒径测量

粉体处理技术不仅应用于作为食品的面粉和建筑用的水泥，对于创造新材料和为传统材料增加新功能而言，也是很有价值的技术。但是，由于这一技术主要应用于生产过程中，所以很少被大众所看到。在这里，工程师吉原伊知郎先生（吉原伊知郎工程师事务所）将为大家解说粉体的特征和测量方法。

·       序～粉体是怪物，粉体有生命

·       为什么说粉体会导致问题

·       粉体粒径的测量方法

序～粉体是怪物，粉体有生命

在粉体处理行业，先行者们说“粉体是来到世间之前的暂时形象”、“粉体是怪物”、“粉体是有生命的”等，但都是经验性的法则，无法定量化。
根据《寺田寅彦[1]随笔集第四卷》（岩波文库2003年第69版）在1933年（昭和8年）2月所述，“粉体物质的堆积不同于气体、液体或弹性体，应该有单独的‘粉体工程学’。近年来，在土壤动力学领域，从理论到实验，这一学说有了很大的发展，但基本上都是静力学的内容，可以毫不夸张的说，‘粉体运动’的相关研究完全不存在”，这被认为是日本“粉体工程学”的开端。
正如这里所描述的，与作为“连续体”的气体、固体（弹性体）和液体相比，借助当前的表述方式，粉体是属于“离散体”，如果忽视形成粉体层的固体微粒之间依靠何种力产生关联（联结在一起），则无法进行讨论。
此外，粉末的粒径存在“分布”，根据作为环境的气体状态不同，可能会累积静电，而由于液体的存在，还会引起“液体交联现象”，会引发凝固、粘连、堵塞等工艺方面的问题。此外，由于其巨大的表面积，不仅是有机粉体，金属粉体也会引发剧烈的爆炸反应，给人类社会造成了许多灾难。
在本篇文章中，介绍了“粉、粉体、粉体层”，以及被赋予附加价值的、作为功能性粒子集合的粉体的使用事例，并为您解说不为一般社会所知的世界。相关行业除了医药、食品及化妆品、催化剂、饲料、肥料、树脂、陶瓷、纤维、种子领域外，还包括近年来发展起来的3D打印机粉体层压法行业等，与我们的日常生活具有重大关联性。

表1. 处理粉体的行业（不可思议的粉与粒：三轮茂雄著，笔者补充）

为什么说粉体会导致问题

用于工业目的的功能性粉体是一系列有用的粉体，但通常产生的粉体并不总是有用的。春天引起花粉症的“杉花粉”、在雪后解冻的道路上卷起的道路混凝土粉尘、从西方大陆方向吹来的“黄沙”也都属于粉体。在这里，我将为大家解说“工业中使用的粉体工艺的问题点”，即“如何制造有用且有价值的粉体并使其成为符合要求的颗粒”。

问题点①粉体的易流动性、流动特性不固定

在易于流动性方面，大家对气体和液体都具有一定的印象。我们从经验上知道，除了在外太空和极低温的特殊环境中外，在人类生活环境中，当施加压力时，液体和气体会从高压侧流向低压侧。但是，由于粉体是固体微粒的集合体，想象一个沙漏就会很容易理解，无论施加多大的压力（即使层高增加），只要孔径与粒径确定，它流出的速度就是恒定的，与压力无关。大部分压力是从颗粒传递到侧壁，而不是出口附近的粉体。此外，当粉体中存在微量液体时，会呈现出固体颗粒和液体、气体的“多相流体”形态，呈现出不同于我们对于一般自然现象的印象的流动方式。
这种“流动方式的不规则性”引起粉体特有的“粘连”、“凝固”、“堵塞”、“团粒化”、“偏析”等现象，在生产工艺中引发停止流动等故障。

问题点②粉体的流动使容器壁产生“磨损现象”

尽管通常用技术术语粉末侵蚀来表示，但无论是气体还是液体，只要其中含有少量细小颗粒，则设备构成材料的固体表面会在很短的时间内发生“磨损”，不仅容器壁会发生变形损坏，而且容器壁的构成材料（如铁成分）还可能会混入作为产品的粉体中，从而影响产品质量。这种现象可用于硬质材料的表面抛光和表面粗糙度调整（喷砂抛光和热喷涂技术），但在使用粉体的工艺现场，则往往会成为一个麻烦的问题。

问题点③一旦粉体发生“泄漏”，即使追加拧紧也无法停止泄漏

对于气体或液体，正如行业术语“追加拧紧”所述，当发现密封或填料部分发生泄漏时，通过对该部分的螺栓等进行“额外追加拧紧”，多数情况下可以使泄漏状况停止。填料的柔韧性确保可通过施加压力将填料推入间隙以阻止泄漏，但如果粉体缠结，填料即使变形也无法挤出粉末，因此粉体会继续从该部分泄漏出来。业界将这一现象称之为“形成了粉末路径”，需要拆卸和清扫后重新插入新填料。这一现象的对策会在后文中阐述，这一现象本身不仅会造成产品损失、厂区工作环境恶化、人体卫生问题，还会引发粉尘爆炸，所以如何排除这一现象，屡屡让先辈们感到头疼。

问题点④粉体是有生命的……前人的教诲

和很多实验室一样，为了研究物理性质以及以实验值的形式掌握与设备之间的动量传递现象、热传递现象，我们将粉体材料带入实验室，用小型设备进行确认实验。尤其是在“进行性能保证”时，确认实验必不可少。大多数机器制造商会通过测量化学工程学数值来量化特定材料与特定设备之间的关联性，以确保粉碎、干燥和造粒现象。
但是，对于某些产品，在此过程中获得的粉体特性可能与在实验室中转移、储存的原料不同。例如，在计量供给的前道工序中，从原料料斗通过空气输送的粉体层进入与设备直接相连的缓冲料斗后，含有大量空气，与在实验室仓库中存放一周的粉体层的“体积密度：重量/单位体积值”并不相同。换句话说，轻了与所包含的空气容积相对应的量。其结果就是，基于容积的定量供料设备无法供应指定重量的粉末。在业内，“容积式供料机”应该有转速余量，转速可调，以便能够在现场重新调整，是公认的常识。
此外，例如，具有“螺旋叶片”的容积式供料机是通过其转速控制供给量，但是当大量投入含有大量空气的粉末层时，它不会停在螺旋叶片处，而是会像液体一样流过螺旋通道并连续排出。这一现象被称为“冲水（flushing）”，已经无法通过转速来实现粉体供给量控制。这种情况下必须进行“脱气”处理。

问题点⑤粉体蓄热并起火、爆炸

由于粉体周围保持有大量空气层，因此具有很高的保温性。雪花的结晶颗粒很有名，但雪洞内部却出乎意料的温暖，正如许多登山家在雪山中保命的手段一样，化工厂中也离不开利用粉体特性的隔热材料。但是，另一方面，如果干燥的面粉继续保持在该温度下储存，第二天早上它会冒烟并有烧焦的气味，使其无法用作食品，因此最好在将其干燥后立即冷却。
此外，如果含有大量氧气的空气通过储存热量的粉体部分，就会起火燃烧。如果是在目标的容器中发生这一现象，还可能会因压力上升而导致爆炸。在粉体这一形态下，所有的可燃性有机物都有可能会发生爆炸。在英语中，“powder”一词通常包含火药的含义（powder room指女性化妆的房间）。
工厂粉尘爆炸事故是影响企业生死存亡的问题，必须预先予以应对。只要在生产现场处理有机溶剂和粉末，就无法完全消除火灾和爆炸的风险，但可以消除因火灾和爆炸所引起的事故损害、损伤。
象前文所述事先充分了解粉体的特性、了解粉体的行为、采取措施应对各种现象，那么即使出现各种问题现象或是火灾、爆炸，也不会过于吃惊。
在后文中将会讲述这些应对措施中的一例，接下来将解说测量粉末直径的主要方法。

粉体粒径的测量方法

为了了解粉末的物理特性，掌握其粒径是极其重要的，因此自古以来就根据用途，作为“产品规格标示方法”而发展出各种测量方法。
在此背景下，通常习惯性使用的粒径标注方式因行业而异。比如食品行业中的“筛网目数标示”、水泥行业的“比表面积标示”等，并非直接标注毫米、微米等“尺寸”，可以说，该行业处理粉体的历史变迁，就体现在了那个称呼方式中。
　以下是代表性的测量方法。在粉体粒度标示中必须附带一种测量方法，这是行业规则（在不同原理的测量方法下，即使是同一种粉体，也存在所标示的“等效直径”不同的情况，这一点在粉体行业中是众所周知的）。

“筛分法”

这是最普遍性的标示方法，也是去除异物以及粗大粒子时最可靠的方法。各地区的标准各有不同之处，而在日本，是根据“JIS Z 8801”予以标准化。过去，由泰勒公司生产的被称为“泰勒筛”的筛子被广泛使用，1平方英寸内有多少个“筛网网眼”就决定了筛网目数这一标示数值。
一旦确定了网的线径，孔眼的数量和孔眼的大小也就自然确定了。此方法中使用的筛网目数用于标注粉末规格。粉体工程师会在多处按照如下方式隐蔽标注这些开孔的尺寸数字。

·       16目：1000μm（微米：1/1000mm）

·       32目：500μm

·       100目：149μm

·       200目：74μm

在这个行业中，这4个隐蔽标注是属于常识，而在食品行业，筛子经常用作食品的预处理，所以只要你问筛子的开口：目数，就能够对粉体的物理特性具有感性的印象。例如，米粉是100目以下的产品，而小麦粉是200目以下的产品，这是生产美味饺子和美味面包的必要条件。

对于接近于球形的微粒来说，这一方法没有问题，但是长宽比较大的长粒子和纤维等长柱状粉末会发生一种被称为纵向穿透的现象，从而无法准确地表现对象物体的物理特性。

以显微镜等的图像为对象，通过面积和体积进行计算的“几何学方法”

在这种情况下，由于代表数值是由换算为圆形或球形的“当量直径”来表示的，因此需要注意，扁平颗粒和有边缘的颗粒即使具有相同的等效粒径，也会表现出不同的物理特性（易流动性等）。不过，随着近年来图像处理技术的进步，通过在线实时测量，可以瞬间测量出粒径和粒径分布，因此其作为比较指标的实用价值越来越大。

根据沉降速度与扩散速度的差异进行测量的“动力学物理量”

这一方法并非直接测量粒径，而是测量粒子以恒定速率在流体中沉降的速率。如牛顿方程和斯托克斯方程所示，这一沉降速率与粒子密度和流体的密度差，以及粒子的截面积成正比，因此可以根据沉降速率计算出等效粒径。
在这种情况下，需要预先测量颗粒密度。当密度差较小时，还需要利用离心力。

根据粒子“与光的相互作用量”，如散射光强度和屏蔽光量等计算等效粒径的方法

这一方法又称为激光分析法，其一系列设备被广泛应用于业界之中，其测量范围为3mm到0.1μm。最后显示的结果均为“球体等效粒径”。激光束因细小颗粒的存在而以各种角度散射，可利用透镜对散射光进行检测、测量，并通过衍射理论计算出等效粒径及其分布。

比表面积、细孔分布测量法

通过气体吸附法或压汞法计算出比表面积。这一方法一般被称为BET法，是表示吸附单位质量气体分子的面积，该值越大，表示粒径越小，或表面形状凹凸不平。如果是具备相同形态的粉体，则粉体越细，估测出的该值将越大。在表面活性很重要的水泥行业中，使用该比表面积值作为评估产品的指标之一，用以了解水泥颗粒的功能。

表1 粒子测量方法的一般性分类与特征

执笔：工程师 吉原伊知郎（吉原伊知郎工程师事务所）