フリーマンテクノロジー™社の粉体流動性分析装置

パウダーレオメータ™FT4 – ユニバーサルな粉体流動性評価装置

パウダーレオメータ™FT4による粉体流動性評価

フリーマンテクノロジー™社は、粉体の流動特性を定量化するための粉体流動性分析装置を専門に提供しており、粉体流動性および粉体特性評価において15年以上の経験を有しています。当社では、幅広い製品を提供するだけでなく、専門家チームによる総合的なサポートも提供しています。

フリーマンテクノロジー™社の主力製品であるパウダーレオメータ™FT4 ®は、ユニバーサルな粉体流動性分析装置です。

FT4では、特許取得済みの動的測定法により、移動中の粉体の流動抵抗値を計測できます。さらには、粉体のせん断強度を計測するためのせん断セル、製造装置の表面と粉体の付着度合を定量化する壁面摩擦キット(ASTM Standard D7891準拠)、およびかさ密度、圧縮率、透過性などのバルク特性を計測するための付属品も含まれています。

FT4は粉体の流動性特性を世界で最も多面的に測定できる装置であり、その幅広い計測機能により、粉体挙動を計測し理解することができます。

汎用性の必要性

これまでのセクションでお分かりのように、粉体の流動特性は複雑で、単一の数値では定量化できません。流動性は、プロセスおよび実利用で課せられる条件を勘案しつつ検討する必要があります。粉体が緩慢に充填されている場合には流動性は「良好」になりますが、圧密されると「劣悪」になる場合があります。流速が比較的早い間は良好に流れるが、流速が遅くなると流れが止まる粉体もあります。

FT4はこれら外部要因のそれぞれの効果を調査できるように設計されています。計測セルでプロセス条件を厳密にシミュレートすることにより、それぞれの要因に対する粉体の反応を定量化することができます。

外部要因には下記が含まれます。

  • 圧密
  • 通気(エアレーション)
  • 流動(せん断)速度
  • 含水量
  • 帯電
  • 貯蔵時間

動的測定

FT4では、特許取得済みの技術を使用して、粉体が動いている状態における粉体の流動抵抗値を計測します。羽根車状の精密な「ブレード」が粉体の中を回転しながら上下動し、粉体の正確な流動パターンを確立します。これにより、無数の粒子が相互作用を起こし、次々に流動する状態が引き起こされ、ブレードに掛かる抵抗は粒子を相互に動かす困難さ、つまりバルクフロー特性として表現されます。粒子の運動抵抗が大きく、粉体を流動させるのが難しいほど、ブレードの移動も難しくなります。

パウダーレオメータ™FT4 – 粉体の動的特性評価

パウダーレオメータ™FT4 – 粉体の動的特性評価

ブレードがサンプル内を移動するのに応じて、FT4は回転抵抗および垂直抵抗の両方をトルクおよび荷重としてそれぞれ計測します。この際、トルクと荷重の両方を取得することが重要です。これは、回転抵抗および垂直抵抗の複合値であり、粉体が流動する際の合計の抵抗を定量化しています。 仕事量の計算手法を使用すると、トルクと荷重の両方を、トータルフローエネルギー、つまり粉体の入った容器内のサンプルにおいてブレードを最上部から最下部まで動かすのに必要なエネルギーとして示すことが可能です。ただし、トルクと荷重の値は常に変化するため、ブレードの小さな移動距離ごとにエネルギーを計算する必要があります。これがエネルギー勾配という計算手法です。これは、ブレードの移動の際にミリメートル単位で計測されるエネルギーであり、mJ/mmで表されます。

仕事量 = エネルギー = (抵抗値 x 移動距離)

ここで、「抵抗」とはトルクと荷重の複合値を指します。

エネルギー勾配 = ブレードの移動におけるミリメートル単位のエネルギー

エネルギー勾配曲線以下の面積を計算すると、粉体が動的な状態で流動する場合の粉体の抵抗であるトータルフローエネルギーを算出することができます。

パウダーレオメータ™FT4– 粉体フローエネルギー
エネルギー勾配は、トルクと荷重を計測することにより直接計算することができます。

拘束および非拘束流動

強制(または拘束)流動

スクリューフィーダや動作中のフィードフレーム内など、粉体が強制的に動かされる際の流動性を計測します。この特性は基本流動性エネルギー(BFE)として定義されており、ブレードが下方へと移動する際に計測されます。粉体は、密閉された容器の底部によって動きを制限されます。

動的粉体試験 – 強制(拘束)流動
動的粉体試験 – 強制(拘束)流動

低圧(非拘束)流動

低圧充填時や低速度混合時など、粉体が拘束されない場合の流動性を計測します。この特性はSPECIFIC ENERGY (SE)として定義されます。この計測法では、ブレードが容器の底部から上部へと移動する際の流動抵抗を計測します。容器の上部には、粉体の上方への移動を阻害する要因が存在しないため、本試験では粉体の動きが制限されません。

動的粉体試験 – 非拘束流動
動的粉体試験 – 非拘束流動

拘束および非拘束流動の計測法はまったく異なるため、プロセス性能とデータを相関させる場合は、考慮されているプロセスにおいて最も適切な計測法を採用することが重要です。

コンディショニング

粉体を扱った方であれば、扱い方ひとつでかさ密度が容易に変化してしまうことをご存知でしょう。容器を傾けて粉体に空気を含ませたり、台の上で容器をタッピングしたりすることで、粉体が密集して体積が減少する様子を観察してください。

こうしたかさ密度の変化は粉体に掛かる圧力が変化したことによって発生します。前述のように、圧力レベルの変化によりプロセス、貯蔵中の粉体の挙動は大きな影響を受けやすくなりますが、これは計測中でも同様です。このため、最初に粉体層への圧力を均一化させ、エアポケットや局所的な圧縮を排除することにより、粉体の状態をあらゆる試験に向けて確実に整えることが不可欠です。

この準備段階はコンディショニングと呼ばれます。これは簡単なプロセスですが、以降の計測に向けてサンプルを準備するうえで効果的なプロセスです。コンディショニングプロセスでは、動的測定(前のページを参照)の場合と同じ特許取得済みの技術が使用されます。ここでは、サンプル全体を軽く動かすことで粉体をほぐし、わずかに空気を含ませます。その目的は、それぞれの粒子をかき乱して軽く沈下させることにより既に圧縮されている状態や余分な空気を取り除き、均一に充填された粉体層を形成することです。これにより、試験担当者による粉体の扱い方や容器への投入の仕方によって以降の試験の結果が影響を受けないようにします。

動的粉体試験 – 粉体のコンディショニング
動的粉体試験 – 粉体のコンディショニング

コンディショニングサイクルは通常、すべての試験において事前に完了させるプロセスであり、試験担当者ごとのサンプル投入時のばらつきを抑えたり、前回の試験で残留した圧縮粉体を除去したりする目的で行います。例外となるのは、意図的に圧密したサンプルを評価する場合です。このようなケースではコンディショニングは行いません。

動的測定による外部要因による影響の定量化

基本流動性エネルギーは、(コンディショニング後に)粉体が緩慢に充填された状態における粉体の流動特性を測定します。この同じ動的測定法を使用すると、前のセクションで定義したいずれかの外部要因の影響を受けた際に粉体の流動特性がどのように変化するかを定量化することができます。

通気(エアレーション)

粉体を入れる容器の底部に多孔質メッシュを採用し、供給量を制御することによって、空気の影響を定量化します。この手法では、運搬中や乾燥中、ドライパウダー吸入器の使用時など、粉体に意図的に空気を取り入れるプロセスや実際の利用状況をシミュレートできるだけでなく、粒子間に存在する付着力を調査することができます。

動的粉体試験 – 通気(エアレーション)
動的粉体試験 – 通気(エアレーション)

付着力を計測することが難しいのは周知のとおりですが、通気(エアレーション)によりバルク粉体の流動特性の変化を評価する手法を用いれば、正確かつ直接的な定量化が可能になります。付着力はファンデルワールスと静電気を結合したものであり、粒子同士を「結合」させる性質を持ちます。粉体を入れた円柱に空気を採り入れると、隣接する粒子を分離し、こうした付着力に打ち勝とうとします。付着力が弱い場合、それぞれの粒子は隣接する粒子から物理的に分離され、粉体が流動化します。計測した流動抵抗値である通気エネルギー(AE)により、付着力の強さを定量化することができます。

付着力が弱い粉体の場合、粉体が完全に通気されるにつれ、通気エネルギーはゼロに向かう傾向があります。付着力が中程度から高い粉体では、通気時に流動エネルギーの低下が見られますが、はるかに少ない程度となります。これらの付着性の粉体では引っ張り力が過度に強いため、空気がこれに打ち勝てず、粒子は分離しません。その代わりに空気の通り道が粉体中に形成され、これに伴う通気エネルギーは空気の流れが速い場合でも比較的高い状態を維持します。

基本流動性エネルギー(Basic Flowability Energy)と通気エネルギー(Aerated Energy)とを対比させると、次のようなエアレーション比(AERATION RATIO, AR)が成立します。

エアレーション比xx = 基本流動性エネルギー/ 通気エネルギーxx = BFE / AExx

ここで、「xx」は通気エネルギーの計測が行われる空気の速度(mm/s)を定義しています。

エアレーション比は粉体の通気(エアレーション)に対する感度を測定する指標です。

動的粉体試験 – 付着性および非付着性粉体
動的粉体試験 – 付着性および非付着性粉体

圧密

流動特性に対する圧密の影響は、圧密エネルギー(CE)により、直接定量化することができます。これは基本流動性エネルギー試験と非常に似ていますが、圧密度の影響を最初に受けた粉体サンプルにおいて完了します。BFE測定と同様に、流動エネルギーはブレードが粉体サンプル中を上から下へと移動する際に計測されます。まず計測に先駆け、サンプルの圧密が起きるように、コンディショニングサイクルを使用して均一な充填密度を生じさせた後、粉体を何度もタッピングします。その結果生じる流動抵抗値を圧密エネルギーにとして測定します。

また、タッピングする代わりに垂直の荷重を掛けて、粉体を圧密させることもできます。この圧縮技術では、運搬中やその他の振動環境における粉体の挙動とは異なる、保管中の挙動をより厳密にシミュレートします。どちらの測定法の場合も、最初に粉体を圧密してから流動エネルギーを計測します。

圧密エネルギー(Consolidation Energy)と基本流動性エネルギー(Basic Flowability Energy)とを対比させると、粉体の流動特性の相対的な変動量が圧密との相関性として示されます。これは圧密に対する粉体の感度を測定する指標であり、次のような圧密指数(CONSOLIDATION INDEX, CI)として表現されます。

圧密指数xx = 圧密エネルギーxx / 基本流動性エネルギー = CExx / BFE

ここで、「xx」は次のいずれかを定義します。

  • タッピング回数、または
  • 圧縮時に加わる垂直応力(kPa)

動的粉体試験 – 圧密
動的粉体試験 – 圧密

Carrの指数やHausner比など、タッピング密度に基づいた従来の測定法は、サンプルをタッピングした結果としての体積変化に基づいて、粉体流動性の特定の側面を定義しようとするものです。上のグラフに示すように、かさ密度の変動幅は40%程度ですが、タッピングを行った結果としての流動エネルギーの変動幅は実際には1000%となる可能性があります。この圧密エネルギーの直接的な計測により、タッピング後の流動特性が実際には10倍悪化していることが定量化されます。また、かさ密度の計測値から流動特性を推定しても不正確である理由を説明することができます。つまり、プロセスや貯蔵の観点からは、多くの場合、製品のかさ密度が変化するかどうかではなく、製品が流動するかどうかの見極めが重要です。

流動(せん断)速度の感度

一般に、粉体は異なる流動速度で移動させると異なる流動挙動を示します。つまり、ある速度では自由に流れ、別の速度では流れが悪くなる場合があります。粉体処理装置の観点からは、この流動速度の変化に対する感度には多くの意味があり、プロセスの安定性に重大な影響を及ぼします。

多くの液体と異なり、粉体は実質的にほとんどの場合で非ニュートン流体であり、流動速度との複雑な挙動関係を示します。実際に、粉体は高速時よりも低速時の方が移動が難しいことが一般的です。つまり、粉体の流動速度によって生じる変動の影響を受けやすいプロセスの場合、流動速度が臨界値を下回ると閉塞が起きる場合があります。

また、流動速度の感度が高い粉体では、混合均一性を達成するには、特定の最適な混合構成が必要となります。流動速度の感度が低い粉体の利点は、均等性を確保しながら低せん断混合操作を利用できることであり、高せん断混合でよく見られる粒子の摩耗や静電気の発生率を最少限に抑えることができます。流動速度の感度が高い粉体では通常、高せん断プロセスを使用して効率的に混合を行う必要があります。

粉体試験 – 流動(せん断)速度
粉体試験 – 流動(せん断)速度

せん断試験

せん断セル

FT4にはオプションによりせん断セルが用意されており、粉体のせん断特性を定量化することができます。せん断試験は動的試験とはまったく異なる技術であり、必ず圧密した状態で粉体の特性を評価します。また、この試験は極めて静的な試験でもあり、非流動状態から流動状態に移行する際の粉体の挙動を計測します。

そのため、せん断セルは、粉体を圧密する場合や流動速度が低いかまたは緩慢なプロセス操作において粉体の挙動を予測する場合に最適です。これらはホッパーでの粉体の挙動を理解するのに適しており、(20世紀中に展開されたJenikeの応力理論に基づいて)ホッパーの設計を行うのに必要な一部のデータも得られます。ただし、その測定手法のため、せん断セルは、混合、充填、フィード、運搬などの低応力または動的用途において粉体の挙動予測を行うのにはあまり適していません。

動作原理

速度が極めて低い場合では、粉体の上層部にせん断(または水平)荷重が掛かる一方、隣接する下層では移動が妨害されます(その逆も同様です)。この荷重は増加し続けますが、せん断荷重が粉体のせん断強度を超える程度に十分に高まると、せん断面での相対移動が起こります。この時点では、粉体層が荷重に「降伏」し、粉体の上層が下層に対して滑り込みます。

せん断セルの比較
せん断セルの比較

過去50年間に数種のせん断セル装置が考案されましたが、どれも1つの粉体層を別の層に押しつけてせん断するという同じ方式を採用しています。現在、最も広く採用されている方式は基本的に回転式です。回転式では、ずらす範囲がすぐに不足してしまう平行せん断装置とは対照的に、荷重の掛かった2つの層を長い距離にわたって互いの層に対してせん断できるため、より望ましい設計となっています。

それぞれの設計には長所と短所があり、現在ではすべてのタイプが引き続き使用されています。機能、利点、および短所の詳細な比較データについては、当社まで直接お問い合わせください。

一般的なせん断セル試験手順では、複数のせん断試験がさまざまなレベルの垂直応力で実施されます。取り出したデータはせん断応力および垂直応力間の関係を表しており、これを座標に描いて粉体の破壊包絡線を定義することができます。簡単に説明すると、与えられた垂直応力に対してせん断応力が高くなるほど、ホッパーまたは他の容器で同様の圧密応力下に拘束された場合に粉体が降伏して流動し始める可能性は低くなります。

せん断試験 – 破壊包絡線
せん断試験 – 破壊包絡線

このデータには多数の数理モデルを当てはめることができますが、その際には傾きが誇張または緩和される場合があることを考慮する必要があります。破壊包絡線にMohrの応力円を当てはめると、最大主応力(シグマ1)および単軸崩壊強度(シグマc)が特定され、前者の後者に対する割合によってFlow Function(FF)が定量化されます。FF」は流動性を評価するために一般的に使用されるパラメータであり、4を下回る値は流れが悪い状態を、10を上回る値は流れが良好な状態を表します。

壁面摩擦

壁面摩擦試験では、粉体と製造装置の表面との間の付着性を計測することができます。これはホッパーからの排出挙動、搬送シュートにおける流動の連続性、錠剤排出荷重を理解するために特に重要です。また、製造装置の壁面や、小袋、カプセル、およびその他の包装材の内部など、他のさまざまな表面に粉体が付着するかどうかを調査する際にも有用です。

計測の原理はせん断セル試験とほぼ同様ですが、この試験では粉体に粉体を押し付けてせん断するのではなく、製造装置の壁面標本材を切り取った試片を対象の粉体に押し付けてせん断します。FT4の壁面摩擦用アクセサリは幅広い試片の調査に対応できるよう考慮されており、必要であればオーダーメードによる面材の製造も可能です。

粉体試験 – 壁面摩擦
粉体試験 – 壁面摩擦

データは通常、垂直応力に対するせん断応力の位置として表現され、壁面摩擦角 (phi)を決定することができます。壁面摩擦角が大きくなるほど、粉体と壁の試片との間の抵抗は高くなります。

前述したように、このデータは特定の研究で利用できますが、ホッパー設計業務の一環としても必要です。

ホッパーの設計

ホッパーは加工環境全体で広範に使用されており、単純なシステムとみなされることも多い反面、プロセスの中断や製品の品質問題を発生させる多くの原因ともなっています。

粉体が持つ特性がホッパーの形状や機器の表面に合わせて最適化されていない場合、ホッパーからの流動は不安定となります。また、流動しなくなることもあります。ただし、20世紀半ばのAndrew Jenike氏の先駆的な研究以来、せん断セルおよび壁面摩擦試験から得たデータを利用することで、ホッパーの限界寸法を計算し、良好な流動を確保できるようになりました。

FT4には完全に自動化されたホッパー設計ソフトウェアが付属しており、せん断セルおよび壁面摩擦試験から直接結果を取り込み、ホッパー設計アルゴリズムを通じてデータを実行します。この結果、ホッパーの設計を完全自動で3時間以内に完了できます。

粉体試験 – ホッパーの設計
粉体試験 – ホッパーの設計

今日、このホッパー設計プロセスは、機器内の材料特性や応力体系の理解に基づく、機器設計の数少ない基本的手法の1つであり続けています。残念ながら、このような手法は攪拌器、フィーダ、コンベア、乾燥機、圧縮プロセス、または粉体処理において日常的に使用される他のユニット操作のいずれにも存在しません。

ホッパー設計の詳細情報については、当社までお問い合わせください。

バルク特性

バルク特性は流動性やせん断の直接的な計測対象ではありませんが、それでもプロセス性能および製品属性に影響を与えます。FT4では3種類のバルク特性を測定します。

かさ密度

かさ密度は質量と体積の関係を定義します。これは原則的には単純な概念のように思えますが、粉体の性質によってその充填構造は容易かつ大幅に変化します。このため、かさ密度を定義する場合は、充填状態の周知と再現可能性の確保が不可欠です。FT4ではコンディショニングサイクルを用いてこれを実現しています。正確な体積を得ることのできる分離式の容器と内蔵天秤、他の機能と組み合わせれば、コンディショニング後のバルク密度をこれまでにない精度で計測することができます。

バルク粉体試験 – かさ密度
バルク粉体試験 – かさ密度

圧縮率

圧縮率は、ピストンにより増大する圧縮荷重をコンディショニング済みの粉体に加え、加えられた荷重との相関関係として体積の変化を計測することによって測定します。通気ピストンによって粉体中に閉じ込められた空気を確実に逃がし、高分解能の位置計測システムを使用して圧縮率を精確に定義することができます。圧縮率は掛けられた垂直応力に対する体積の変化率として表現されます。

バルク粉体試験 – 圧縮率
バルク粉体試験 – 圧縮率

また、このデータは、加えられた垂直応力と相関する圧縮性指数またはバルク密度と表現することもできます。

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透過性

透過性は粉体の空気流動に対する抵抗を測定する指標です。通気(エアレーション)試験と似ていますが、この方法では通気ピストンを利用して容器内の粉体に空気を通過させながら幅広い垂直応力下で容器内の粉体を閉じ込めます。容器内の粉体の底部および上部間の相対的な空気圧差は、粉体の透過性と相関性を持ちます。試験は、さまざまな垂直応力と空気流量を使用して行うことができます。

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この重要な材料特性は、打錠や充填などを含む多数の用途に関連します。打錠プロセスでは、圧縮段階における空気除去の効率性により成型した錠剤の物理特性が変化します。粉体の低透過性が原因で錠剤内に空気が保持された場合、キャッピングやラミネーションが発生する場合があります。充填用途においては、空気を注入する際にダイや容器から粉体を通過して空気が「逆流」できるかどうかはバルク透過性によって異なり、これが充填速度と充填密度に影響を与えます。透過性は比較的単純なバルク特性でありながら、数多くのプロセスおよび用途において重要であり、正確に計測する必要があります。

その他の計測項目

FT4の動的測定手法と優れた試験設計を活用すれば、他にも多くの粉体の挙動特性を測定することができます。これらには次のようなものがあります。

粉体の挙動 – 固化
粉体の挙動 – 固化

固化

時間の経過による粉体の固結

粉体の挙動 – 含水量
粉体の挙動 – 含水量

含水量

粉体の挙動に対する自由水分の影響

粉体の挙動 – 偏析
粉体の挙動 – 偏析

偏析

サイズ / 密度に応じて粒子が再配置される特性

粉体の挙動 – 摩耗
粉体の挙動 – 摩耗

摩耗

粒子のサイズ、形状、表面積に変化を生じさせる粒子破砕性

粉体の挙動 – 静電気
粉体の挙動 – 静電気

静電気

静電気の帯電との相関性としての挙動変化

粉体の挙動 – 凝集
粉体の挙動 – 凝集

凝集

通常、行われる処理との相関関係として表わされる一次粒子から凝集物を形成