機(jī)械粉碎多尺度艾葉粉體學(xué)性質(zhì)分析

秦軍偉，任德志，白雪衛(wèi)，寧曉峰，王丹陽(yáng)，孟五洲，李志軍

（1.安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161）

艾草是一種已有2 000多年藥用歷史的傳統(tǒng)中藥材，中醫(yī)學(xué)、藏醫(yī)學(xué)、維醫(yī)學(xué)和傣醫(yī)學(xué)中均有應(yīng)用記載，目前側(cè)重于艾絨制備、有效成分提取、醫(yī)藥學(xué)臨床應(yīng)用等[1-2]。雖然關(guān)于艾草粉體的應(yīng)用研究相對(duì)較多[3-4]，但是針對(duì)其物理學(xué)特性，特別是粉體學(xué)性質(zhì)的研究，筆者查閱到的相關(guān)文獻(xiàn)較少。而對(duì)于粉體的分級(jí)、包裝、儲(chǔ)運(yùn)、有效成分提取等加工工藝研究，以及相應(yīng)的加工機(jī)械設(shè)計(jì)，諸如吸濕性、流動(dòng)性、壓縮性及噴流性等粉體學(xué)特性的研究具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

近年來(lái)，微細(xì)化粉碎技術(shù)在大農(nóng)業(yè)產(chǎn)物加工領(lǐng)域的應(yīng)用日漸成熟，而針對(duì)其粉體產(chǎn)物的粉體學(xué)性質(zhì)開(kāi)展了大量的科學(xué)研究。CODA 等[5]認(rèn)為休止角和滑角越小，粉體流動(dòng)性越好，若休止角不超過(guò)30°，說(shuō)明流動(dòng)性較好；隨著粒度減小，郝競(jìng)霄等[6]認(rèn)為茶樹(shù)菇粉體休止角和滑角減小而流動(dòng)性提高，但趙萌萌等[7-10]卻發(fā)現(xiàn)青稞麩皮等粉體休止角增大而流動(dòng)性減弱。YOHANNES 等[11]發(fā)現(xiàn)粒徑分布越寬，機(jī)械壓縮粉體固結(jié)形成的堆積結(jié)構(gòu)更加致密；楊祺等[12]揭示桑葉和玫瑰花提取物的粉末壓縮成型性與松密度呈正相關(guān)，與休止角、流動(dòng)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)；杜焰等[13]指出孔隙率-上沖壓力關(guān)系曲線和Heckel 曲線均顯示茯苓具有塑性特征，但物理性質(zhì)與粉體壓縮成形性之間的規(guī)律有待研究；李延年等[14]發(fā)現(xiàn)干燥處理導(dǎo)致丹參浸膏粉體的流動(dòng)性和穩(wěn)定性變差；李碩等[15]表明干燥時(shí)間對(duì)隴藥煮散顆粒粉體學(xué)有影響，不同藥材的流動(dòng)性和壓縮率變化明顯；郭艷紅等[16]認(rèn)為貯存時(shí)間影響配方奶粉的噴流性，不同奶粉配方表現(xiàn)出不同的噴流性，這與郝春明等[17]對(duì)面粉和全麥粉及郭群[18]對(duì)滑石粉痱子粉和玉米淀粉痱子粉的研究結(jié)論相近。

因此，本研究借鑒上述參考文獻(xiàn)研究方法，以機(jī)械粉碎法制備的多尺度艾葉粉體為研究對(duì)象，采用粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)定并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，分析粉體粒度和含水率對(duì)流動(dòng)性、壓縮性以及噴流性的影響機(jī)理，以期為后續(xù)中藥材粉體的分級(jí)、儲(chǔ)運(yùn)、成分提取等深加工工藝及加工設(shè)備研究提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器設(shè)備

艾葉，購(gòu)自安陽(yáng)市文峰區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，平均濕基含水率為37.5%。

儀器設(shè)備：101-0A 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱，上海陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；JL-4500A 多功能粉碎機(jī)，永康市速鋒工貿(mào)有限公司；? 200×50標(biāo)準(zhǔn)篩，上虞市紗篩廠；BT-1000粉體綜合特性測(cè)試儀，丹東百特儀器有限公司。

1.2 艾葉粉體學(xué)性質(zhì)測(cè)定

以流動(dòng)性、壓縮性和噴流性作為粉體學(xué)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別以差角θd、壓縮度Cp和分散度Da表征。試驗(yàn)時(shí)，將艾葉粉體置于BT-1000 粉體綜合特性測(cè)試儀中，測(cè)定休止角θr和崩潰角θf(wàn)、松裝密度ρa(bǔ)和振實(shí)密度ρp，分別計(jì)算θd、Cp和Da[19-21]，即：

式中：G0、G1、G2分別為容器質(zhì)量、松裝密度測(cè)試中容器與粉體總質(zhì)量、振實(shí)密度測(cè)試中容器與粉體總質(zhì)量（g）；G和10分別為接料盤(pán)中粉體質(zhì)量、粉體初始質(zhì)量（g）。

1.3 方法

1.3.1 艾葉粉體樣本制備 艾葉通過(guò)熱風(fēng)干燥箱除水后，置于剪切粉碎機(jī)中進(jìn)行微細(xì)化處理，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分處理，獲得粒度為62~850 μm的多尺度粉體。在40 ℃條件下再次將樣本熱風(fēng)干燥至恒重，置于封口袋中備用。

1.3.2 粒度對(duì)艾葉粉體學(xué)特性影響試驗(yàn) 采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)粉體進(jìn)行篩分處理，制備不同粒度的艾葉微粉（濕基含水率為2.1%）。通過(guò)粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算差角、壓縮度和分散度，繪制粒度與各參數(shù)的關(guān)系曲線，并分析粒度對(duì)各指標(biāo)的影響規(guī)律。

1.3.3 含水率對(duì)艾葉粉體學(xué)特性影響試驗(yàn) 分別取6份均為100 g的未進(jìn)行粒度分級(jí)的多尺度干燥艾葉微粉，置于盛有飽和氯化鈉溶液容器的上方，并將容器放入恒溫箱中進(jìn)行等溫吸濕處理，通過(guò)控制吸濕時(shí)間獲得濕基含水率分別為1.1%、2.1%、3.2%、4.1%、6.2%和8.3%的粉體。將不同含水率的艾葉微粉置于粉體綜合特性測(cè)試儀中測(cè)定相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算差角、壓縮度和分散度，繪制含水率與各參數(shù)的關(guān)系曲線，并分析含水率對(duì)各指標(biāo)的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度對(duì)粉體學(xué)特性的影響

2.1.1 粒度對(duì)粉體流動(dòng)性的影響 粉體流動(dòng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括休止角、差角、壓縮度等[22]，而粒度對(duì)流動(dòng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響非常明顯[23]。由圖1可知，粒度對(duì)艾葉粉體休止角、崩潰角和差角影響顯著。以75 μm粒度為臨界點(diǎn)，粉體休止角和崩潰角呈先增后減趨勢(shì)，而差角呈先降后升趨勢(shì)，故流動(dòng)性表現(xiàn)出先降后升特點(diǎn)。原因可能是小于75 μm時(shí)，隨著粒度增大，比表面積減小，微粒由光滑球狀向不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變，彼此間相互阻礙制約，從而使得流動(dòng)性減弱；大于75 μm時(shí)，粒度增大，比表面積減小，表面聚合力和黏著力降低，團(tuán)聚現(xiàn)象概率降低，故流動(dòng)性提高。

圖1 粒度對(duì)艾葉粉體角度影響Figure 1 Effect of particle size on angles

2.1.2 粒度對(duì)粉體壓縮性的影響 壓縮性反映粉體壓縮過(guò)程中不可逆形變的能力[24]。壓縮度越大，說(shuō)明可壓縮性越好。由圖2和圖3可知，粒度對(duì)艾葉粉體松裝密度、振實(shí)密度和壓縮度影響顯著。粒度增大，松裝密度和振實(shí)密度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，可能是因?yàn)榱６仍龃螅⒘Ｐ螤钤讲灰?guī)則，在容器中的排列越松散使得孔隙率持續(xù)增大，容器中容納的微粒數(shù)量減少，故松裝密度和振實(shí)密度均減小。而壓縮度以75 μm為臨界點(diǎn)呈先增后減趨勢(shì)，故粉體壓縮性也是先增后減特點(diǎn)，這是因?yàn)樾∮?5 μm時(shí)，微粉中規(guī)則形狀的“粉”比例更高，雖然粒度增大，但是振實(shí)過(guò)程中微粒排列更加致密，容納數(shù)量更多，振實(shí)密度減小趨勢(shì)更小而導(dǎo)致壓縮度增大；大于75 μm后，不規(guī)則形狀的“?！北壤饾u增大，振實(shí)后容器中的微粒排列更加松散，容納數(shù)量越少，振實(shí)密度減少趨勢(shì)更明顯，導(dǎo)致壓縮度呈降低趨勢(shì)。

圖2 粒度對(duì)艾葉粉體密度影響Figure 2 Effect of particle size on densities

圖3 粒度對(duì)艾葉粉體壓縮度影響Figure 3 Effect of particle size on compressibility

2.1.3 粒度對(duì)粉體噴流性的影響 分散度或差角用于表征粉體噴流性[17]，差角越小或分散度越大，說(shuō)明噴流性越強(qiáng)[16]。由圖4可知，粒度對(duì)艾葉粉體噴流性影響顯著。隨著粒度增大，分散度呈先增后減趨勢(shì)，即噴流性呈先增后減特點(diǎn)。分散度試驗(yàn)中，粉體微粒受自身重力、空氣浮力及微粒間作用力影響。小于75 μm時(shí)，粒度增大，粉體比表面積和比表面能減少，微粒間作用力降低，團(tuán)聚體數(shù)量減少，分散于空氣中的微粒數(shù)量反而增加，故分散度呈增加趨勢(shì)；大于75 μm時(shí)，粒度增大，微粒自身重力增大，更多微粒承受的空氣浮力逐漸小于自身重力，分散于空氣中的微粒數(shù)量逐漸減少，故分散度持續(xù)降低。

圖4 粒度對(duì)艾葉粉體分散度影響Figure 4 Effect of particle size on dispersity

2.2 含水率對(duì)粉體學(xué)特性的影響

2.2.1 含水率對(duì)粉體流動(dòng)性的影響 由圖5可知，含水率對(duì)艾葉粉體休止角、崩潰角和差角影響明顯。含水率提高，粉體休止角和崩潰角均呈現(xiàn)正線性相關(guān)趨勢(shì)，差角卻呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)趨勢(shì)，即流動(dòng)性持續(xù)降低。這可能是因?yàn)榉垠w吸濕后，其表面張力、毛細(xì)管力及液橋作用力增大，微粒間的相互作用增強(qiáng)而產(chǎn)生黏性，容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致流動(dòng)不暢而降低流動(dòng)性。

圖5 含水率對(duì)艾葉粉體角度影響Figure 5 Effect of moisture content on flowability

2.2.2 含水率對(duì)粉體壓縮性的影響 由圖6和圖7可知，含水率對(duì)艾葉粉體松裝密度、振實(shí)密度和壓縮度影響明顯。含水率增大，松裝密度和振實(shí)密度增大趨勢(shì)相近且逐漸變緩，使得壓縮度近似呈現(xiàn)正線性相關(guān)趨勢(shì)。這是因?yàn)榉垠w振實(shí)前和振實(shí)后，水分子比空氣分子對(duì)粉體的親和性更強(qiáng)，吸濕后粉體微粒更容易聚合，在容器中的排列更加致密，導(dǎo)致松裝密度和振實(shí)密度隨含水率增大而增大。而在水分子的吸附黏合作用下，振動(dòng)過(guò)程使得更多的粉體微粒聚合而占據(jù)更少的空間，所以同等容器中振實(shí)密度數(shù)值要比松裝密度數(shù)值增加更明顯，導(dǎo)致壓縮度呈上升趨勢(shì)。

圖6 含水率對(duì)艾葉粉體密度影響Figure 6 Effect of moisture content on

圖7 粒度對(duì)艾葉粉體壓縮度影響Figure 7 Effect of moisture content on

2.2.3 含水率對(duì)粉體噴流性的影響 由圖8可知，含水率對(duì)艾葉粉體分散度影響顯著。含水率增大，分散度呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)趨勢(shì)，即噴流性降低。這是因?yàn)榘~粉體是一種親水性較強(qiáng)的物質(zhì)，水分子在微粒表面和微粒間凝集，微粒間形成液橋而增強(qiáng)了粘附力，導(dǎo)致部分微粒形成團(tuán)聚體，從而抑制了粉體在空氣中的分散飛濺，即降低了粉體的噴流性。

圖8 含水率對(duì)艾葉粉體分散度影響Figure 8 Effect of moisture content on dispersity

3 討論與結(jié)論

在粒度對(duì)艾葉粉體流動(dòng)性影響試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其影響規(guī)律與HUANG等[25]的研究結(jié)果不盡一致。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]，初步分析認(rèn)為這是由不同材料的微觀結(jié)構(gòu)差異性造成的，但是需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

本研究結(jié)果表明，艾葉粉體的流動(dòng)性、壓縮性和噴流性與其粒度和含水率密切相關(guān)。隨著粒度增大，流動(dòng)性呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)，而壓縮性和噴流性呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)；隨著含水率提高，流動(dòng)性和噴流性持續(xù)減弱，而壓縮性則緩慢增強(qiáng)。在粒度為62~850 μm、含水率為1.1%~8.3%的試驗(yàn)條件下，艾葉粉體的休止角23 °＜θr＜36°、壓縮度11%＜Cp＜17%，對(duì)照Carr流動(dòng)性指數(shù)評(píng)價(jià)表[19]分析，認(rèn)為其具有較高的流動(dòng)性、較弱的壓縮性；艾葉粉體的分散度4%＜Da＜11%、崩潰角16°＜θf(wàn)＜33°、差角2°＜θd＜8°，對(duì)照Carr噴流性指數(shù)評(píng)價(jià)表[26]分析，認(rèn)為其具有較強(qiáng)的噴流性。

由于粉體的包裝、儲(chǔ)運(yùn)、有效成分提取或壓片成型等加工工藝過(guò)程對(duì)粉體學(xué)性質(zhì)要求不同，可以參考本研究結(jié)果，通過(guò)控制粒度分布或含水率的方式來(lái)改變粉體學(xué)性質(zhì)，使其滿足艾草粉體儲(chǔ)存、艾草精油提取等不同加工工藝過(guò)程對(duì)粉體物理學(xué)性質(zhì)的要求，從而優(yōu)化加工工藝參數(shù)，提高加工效率等。本研究結(jié)果也可為粉體裝袋機(jī)、輸送機(jī)等加工機(jī)械的參數(shù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考，從而設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)更合理、適應(yīng)性更強(qiáng)的粉體加工設(shè)備。