結束力のある行動

凝集性は、バルクパウダーの流動性に最も影響する特性のひとつであり、しばしばパウダー処理の問題の原因となっています。凝集性のある粉体では、粒子同士が引き合って塊や凝集物を形成し、それが詰まりや一貫性のない供給や投入の原因となり、無駄や非効率的な処理につながります。凝集性粉体は、その嵩密度に大きなばらつきがあり、非効率的に充填されたり、重力下で緩く充填されたりする傾向がありますが、圧縮されると高い圧縮強度を持つ密な構造を形成することもあり、供給・充填作業や製造ラインにおける一般的な管理に課題をもたらします。

粉体の凝集性を評価することは、特定のハンドリングや製造上の問題に遭遇する可能性を定量化し、粉体製品の品質に数値を割り当てることを意味します。凝集力が粉末の流動性にどの程度影響するかを理解することで、各工程を直接模倣することなく、プロセスにおける材料の性能を予測することができ、凝集による流動性の問題に対処する方法（例えば、粒子径、化学的性質、表面処理など）を粉末の調合者やハンドラーに知らせることができます。

凝集力

凝集力とは、ファンデルワールス力、液体橋渡し力、静電気力など、粒子間に働くすべての引力の組み合わせに与えられる名称である。しかし、粉末が凝集的に振る舞うかどうかは、粒子に作用する他の力と比較して、これらの引力がどの程度関連性があるかによって決まります。

粉体の凝集性は、凝集力の絶対的な強さだけで決まるのではなく、平均粒子重量と比較してどの程度強いかによって決まります。凝集挙動は、以下の比率で定量化できる。

where the larger the ratio F _coh/W > 1 implies the powder is more likely to show cohesive behaviour such as loose packing, high bulk density variability and clumping. A ratio F _coh/W < 1 suggests that the attractive forces between particles don’t play a significant role in how they move past each other, but it is worth noting that this does not mean the powder is free-flowing: even if a powder is non-cohesive, other forces such as friction and interlocking between particles because of their shape can stop particles from moving smoothly past each other.

粒子径の影響

粒度分布（PSD）の小さい粉体は凝集力が強いという誤解がありますが、必ずしもそうではありません。実際、凝集力として分類される力（ファンデルワールス力、液体橋渡し力、静電気力）は一般的に表面力であり、粒子体積に依存するのではなく、粒子間の接触の種類と面積に依存します。

むしろ、粒子が小さいほど質量が小さいため、凝集吸引力によって粒子をより強固に保持することができる。同じような粒子密度、形状、表面特性のパウダーでは、平均粒子重量Wが小さいほど、比率F_coh/Wは大きな値に偏り、より凝集性の高い挙動に対応する。

下の画像は、石灰石粉末を粒径の異なるバッチに分けたものですが、粒度分布の幅（PSD幅/中央値）は同等です。サンプルは同じ原料ブロックから粉砕され、同じ環境条件下で保管されているため、その組成と粒子形状と表面特性、したがって平均絶対粒子間凝集力は、すべてのサンプルで類似している可能性が高い。しかしながら、平均粒子径（および重量）が小さくなり、比F coh/Wが大きくなるにつれて、粉末の凝集挙動も顕著に増大することがわかる。

粒子径が大きくなると、パウダーヒープの表面は明らかに滑らかになり、塊が目に見えて少なくなる。また、粒子が重力下でより効率的に配列するため、かさ密度が増加することも測定された。

ファンデルワールス、静電気、含水率に関連する粒子間表面力の強さは、どのサンプルもほぼ同じであると考えられるが、それらが果たす役割、つまりこれらの凝集力が粉体全体の挙動や流動特性にどの程度関係しているかは、大きく異なる！

粉体の凝集性の測定方法

FT4粉末レオメータの3つの測定は、凝集性の強い挙動を特定するのに特に適しています。

高い条件付き嵩密度（CBD）は、最適なパッキングを達成する前にバルクのコンフォメーションを固定する凝集挙動と関連しています。外部荷重下での粉末圧縮性は、圧縮力が凝集力を上回ったときに、より理想的なパッキングが達成できることを示します。最後に、流動化とは空気を通過させるために粒子を互いに分離させることです。ベッドを流動化させるのに必要な空気の力は、粒子を互いに保持する凝集力の指標となります。

これらのFT4測定は、本質的に、十分に大きなバルクにおけるすべての粒子間相互作用の特性を平均化する。そのため、粉末材料の凝集性は、粒子径、形状、表面特性などの他の測定値とは無関係に評価することができます。

条件付き嵩比重と粒子パッキング

凝集力が粒子の平均重量よりも強い場合、粒子を所定の位置に保持し、他の粒子間の隙間に落ちるのを防ぐことができる。その結果、バルクは高い割合で空隙を含むことになる。

骨格密度が同程度で粒度分布が同程度の粉末を比較した場合、凝集性が高い（F値_/W値が高い）ほど条件付き嵩比重が低くなります。さらに、骨格密度が既知であれば（Accupyc参照）、固体粒子が占めるバルク体積の割合を求めることができます。固形分体積率は粒子の充填効率を示し、粉末の凝集性が低いほど高くなります。

かさ密度を粉体の凝集性の指標として役立てるには、正確な初期充填条件下で評価する必要がありますが、これを達成するのは困難です。FT4独自のコンディショニングプロトコールは、再現可能なルースパッキング状態を課します。これにより、条件付き嵩密度の観察された差は、注湯やすくい上げ動作の差ではなく、粒子間の凝集力の差によるものであることが保証されます。

圧縮性

凝集力は、バルクが最適な充填状態を達成する前に、粒子を所定の位置に固定する傾向がある。外部荷重を加えることで、凝集力に打ち勝ち、より最適化された充填状態を達成することができる。

粒子の形状（かみ合わせ）と表面特性は、粒子が隙間にはまる能力、したがって粒子間の空隙の割合にも影響する可能性があることは注目に値する。密度や圧縮性などのバルク特性を用いて試料の凝集性を評価する場合、比較する試料間で形状や表面特性がどの程度異なるかを注意深く考慮する必要があります。

通気と流動化

凝集力は非理想的な充填状態の粒子を阻止し、また粒子同士の分離能力を制限することができる。粒子同士の分離に必要な力は、パウダーベッドを横切る空気の流れによって評価できます。エアレーションコントロールユニット (ACU) 付きFT4パウダーレオメーターは、パウダーカラムの底部から正確な流量で空気を導入し、パウダーベッドの圧力降下と膨張を測定します。空気が十分な速度で試料を通過すると、上向きの抗力によって粒子が個別に分離・懸濁され、完全な流動化状態になります。

粉体の流動化は、流体力学的な力（空気抵抗）と重力および凝集力のバランスが取れたときに起こる。空気速度が十分に速い場合、抗力は平均粒子重量と粒子同士を保持する凝集力の両方に打ち勝つことができ、この時点で粉体層は膨張し、粒子は空気流によって浮遊する。

凝集力が非常に大きい場合、流動化を達成するためには空気抵抗をかなり大きくする必要がある。F_coh/W>> 1の場合、ほとんどの粒子は互いに接触したままである。高速の空気流は一部の粒子を分離し、粉末床に少数の溝を形成する。このような流路は、適用される空気流を迂回させ、粉末はまったく流動化しない。

つまり、粉体が完全で均一な流動化を達成できるかどうかは、空気抵抗（流動化時のベッド重量に等しい）と粒子間力（
F_coh/W）の相対的な大きさに依存することがわかる。空気の作用は粒子を持ち上げて分離するものであるため、流動化を妨げるのは正味の凝集力（吸引力）であり、摩擦や機械的インターロッキングなどの他の力の影響は最小限である。

凝集性と流動性

凝集力は、粉体流動挙動を規定する力の一群に過ぎないことを忘れてはならない。凝集力は粒子の分離を阻害し、スムーズな重力駆動流動を妨げる。そのため、凝集力が低いことがフリーフローと呼ばれる粉体の条件となりますが、凝集力のない材料であっても、摩擦特性やインターロッキング特性が大きい場合には、加工中に問題が生じる可能性があります。

これは、せん断応力と圧縮応力の複数のレジームを含むプロセスにおける粉末の挙動を考慮する場合に特に当てはまる。これらのプロセス力の相対的な大きさは、粉末流動特性の相対的な重要性に影響を与える可能性があります。例えば、押出機は高い圧縮力とせん断力を伴う傾向があり、この場合、粒子間摩擦は凝集力よりも流動に大きな影響を与えます。これとは対照的に、リーンフェーズの空気圧コンベヤーは、粒子が空気流中で容易に分離・懸濁される場合に望ましい性能を発揮します。凝集力がこの流れを支配し、プロセス特性を決定する一方で、摩擦力はわずかな影響しか及ぼしません。

包括的な粉体流動特性評価には、さまざまな処理条件下で粒子相互のスムーズな移動を妨げるすべての力を完全に理解する必要があります。FT4パウダーレオメーターは多変量解析が可能なため、さまざまな単位操作のシミュレーションに最適で、さまざまなプロセス条件や環境条件に対する粉体の反応を直接調べることができます。