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麥克粉末流動性講堂—評價粉體測試工具包：剪切測試（20190823）

美國麥克儀器 2019-08-26 | 閱讀：2424

承接上一篇綜述文章，我們已經討論了傳統粉體測試工具包究竟能否滿足當下粉體加工者的需求。這篇文章中將開始討論剪切測試。

剪切測試起源于Jenike在20世紀60年代為解決儲存容器卸料問題而展開的創新工作。其所開發的技術首次使用數值方法確定粉體加工設備的規格，為該設備的設計提供支持。開發一種設計演算法使得料斗和料倉實現可控的卸料是一項重大的挑戰，相關后續的研究工作也驗證了該方法的卓越性。雖然卸料和料斗設計仍然是一門不盡完美的學科，但是，50年前開發的方法經受了時間的考驗，至今仍在使用且未有重大變化。

圖1 - 傳統剪切室

簡單來說，剪切測試測量了相對于一個粉體平面剪切另一個固結平面所需的力。類似的方法也用于測量壁面摩擦（即設備或容器結構材料表面與粉體之間的摩擦力），以提供料斗設計所需的大部分數據。料斗底部的粉體由于其上方物料的重力作用而發生固結，粉體承受此種應力，同時將應力傳遞至粉床內，并且粉體與容器壁面接觸時也會承受一定的應力，可見這些測試方法是極其相關的。

構想出剪切測試之后的幾十年，對于與加工工藝相關的粉體表征的極大需求也已促使剪切測試的應用遠遠超于最初。這點固然可以理解，但也使得這項技術的某些局限性成為關注的焦點。

一個問題是，對于粘性粉體而言，剪切測試最為適合，也最精確。對于粘性的材料，測得的剪切力相對較大。然而對于非粘性的樣品，剪切力則逐漸減小，此時測得的結果——流動函數對應的“自由流動”范疇則成為主要參數，涵蓋了廣泛的自由流動行為，可見剪切測試不像動態表征那樣具有區分性（參見下圖）。

另一個更加重要的問題無疑是，剪切測試期間所使用的條件并不能代表流化床或重力下料。對于某些工藝而言，粉體對空氣的響應至關重要，這也不能使用剪切分析直接研究。更廣泛地說，試圖從剪切數據中推斷出與測試環境明顯不同的真實條件下的粉體行為，這種的做法可謂既不精確，又不高效。

本文意圖并不在于爭論剪切測試其設計目的和價值，事實上，剪切測試也確實幫助人們深入了解以及普遍研究粉體性質，確實發揮了重要的作用。然而剪切分析已經開始達到極限，所以我還是認為綜合測試并且采用其他的測試方法（特別是動態測試）更適合表征粉體。認識到這些局限并采用最合適的表征技術才是最為關鍵的，只有這樣加工業者才能夠實現更為高效的生產。

圖為麥克儀器旗下富瑞曼科技 FT4粉體流變儀?-粉體流量測試儀