粉體吸溼結塊程度定量表徵方法與流程
2023-10-08 12:41:19 1
本發明涉及一種粉體吸溼結塊程度定量表徵方法。
背景技術：
目前市場上所有原材料及產品形態中，有70％以上都是以粉體顆粒的形式存在的。在食品、藥品、化工等不同行業中，粉體在加工及貯藏過程中的吸溼結塊問題是普遍存在的問題，它不僅可以顯著降低產品品質，同時引起巨大的經濟損失。目前對粉體吸溼結塊的研究方法主要是測定其在75％相對溼度下的吸溼率，但僅通過吸溼率無法對粉體形成的結塊程度大小進行定量判斷。如何預計所貯存的粉體產品的結塊程度從而確定其保質期是行業中亟待解決的重要問題。因此，開發粉體吸溼結塊程度的定量方法對於粉體行業的發展具有重要促進作用。
技術實現要素：
針對上述技術問題，本發明提供了一種粉體吸溼結塊程度定量表徵方法，其採用球壓痕法對粉體顆粒床不同貯藏條件過程中表面硬度進行動態檢測，可判斷粉體吸溼是否為可逆過程以及發生不可逆吸溼的臨界條件，相關結果可為產品在實際生產及貯藏過程中的條件選擇及控制提供數據支撐，同時，本發明還具有樣品量少，檢測速度快及靈敏性高的優點。
本發明提供的技術方案為：
一種粉體吸溼結塊程度定量表徵方法，包括：
步驟(1)將粉體置於0％相對溼度下進行平衡得到絕幹樣品；
步驟(2)對步驟(1)得到的絕幹樣品進行低應力壓縮實驗，形成顆粒床；
步驟(3)將所述顆粒床置於0％相對溼度條件下，採用球壓痕法測定顆粒床表面初始硬度；
步驟(4)將所述顆粒床置於不同相對溼度條件下放置不同時間，採用球壓痕法測定不同條件下顆粒床表面硬度的動力學變化，建立顆粒床表面硬度與溼度、溫度及時間的相關關係；並根據該相關關係以及顆粒床表面初始硬度確定粉體的吸溼過程是否可逆以及發生不可逆吸溼的臨界條件。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(4)中，所述相對溼度範圍為11％-90％，所述溫度範圍為5-60℃。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(4)中，所用球的直徑可為1.6-10mm，所用壓力為7mn-5n，球形壓頭加載速度為0.5-2mm/min。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(3)中，所用球的直徑可為1.6-10mm，所用壓力為3-200mn，球形壓頭加載速度為0.5-2mm/min。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所用球為玻璃球。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(2)中，所述低應力壓縮試驗中，所述低應力壓縮實驗所用壓強範圍為2-8kpa，活塞加載速度範圍為0.5-2mm/min。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述粉體為食品、化工及藥用粉體。
優選的是，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述粉體為聚乙烯比咯烷酮、羥丙基纖維素及甘露醇。
本發明所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法採用球壓痕法對粉體顆粒床不同貯藏條件過程中表面硬度進行動態檢測，可判斷粉體吸溼是否為可逆過程以及發生不可逆吸溼的臨界條件，相關結果可為產品在實際生產及貯藏過程中的條件選擇及控制提供數據支撐。本發明採用球壓痕法，樣品單次檢測時間少於2min，具有方便快捷及穩定性高的特點。該方法同時可對同一顆粒床進行多點動態檢測，不僅節約樣品量，還避免了不同樣品之間引起的誤差，實驗結果準確率更高。
附圖說明
圖1為本發明所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法的實施例一中球壓痕過程中壓力加載及卸載曲線；
圖2為本發明所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法的實施例一中不同相對溼度條件下pvp顆粒床表面硬度的動力學曲線；
圖3為本發明所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法的實施例二中不同溫度條件下hpc顆粒床表面硬度的動力學曲線；
圖4為本發明所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法的實施例三中不同相對溼度條件下甘露醇顆粒床表面硬度的動力學曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
本發明提供一種粉體吸溼結塊程度定量表徵方法，包括：
步驟(1)將粉體置於0％相對溼度下進行平衡得到絕幹樣品；
步驟(2)對步驟(1)得到的絕幹樣品進行低應力壓縮實驗，形成顆粒床；
步驟(3)將所述顆粒床置於0％相對溼度條件下，採用球壓痕法測定顆粒床表面初始硬度；
步驟(4)將所述顆粒床置於不同相對溼度條件下放置不同時間，採用球壓痕法測定不同條件下顆粒床表面硬度的動力學變化，建立顆粒床表面硬度與溼度、溫度及時間的相關關係；並根據該相關關係以及顆粒床表面初始硬度確定粉體的吸溼過程是否可逆以及發生不可逆吸溼的臨界條件。
本發明採用球壓痕法對粉體顆粒床不同貯藏條件過程中表面硬度進行動態檢測，可判斷粉體吸溼是否為可逆過程以及發生不可逆吸溼的臨界條件，相關結果可為產品在實際生產及貯藏過程中的條件選擇及控制提供數據支撐。本發明採用球壓痕法，樣品單次檢測時間少於2min，具有方便快捷及穩定性高的特點。該方法同時可對同一顆粒床進行多點動態檢測，不僅節約樣品量，還避免了不同樣品之間引起的誤差，實驗結果準確率更高。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(4)中，所述相對溼度範圍為11％-90％，所述溫度範圍為5-60℃。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(4)中，所用球的直徑可為1.6-10mm，所用壓力為7mn-5n，球形壓頭加載速度為0.5-2mm/min。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(3)中，所用球的直徑可為1.6-10mm，所用壓力為3-200mn，球形壓頭加載速度為0.5-2mm/min。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所用球為玻璃球。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述步驟(2)中，所述低應力壓縮試驗中，所述低應力壓縮實驗所用壓強範圍為2-8kpa，活塞加載速度範圍為0.5-2mm/min。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述粉體為食品、化工及藥用粉體。本發明應用廣泛，在對食品、化工以及藥用粉體的吸溼結塊程度的定量表徵中，均能取得準確的表徵結果。
在一個優選的實施例中，所述的粉體吸溼結塊程度定量表徵方法中，所述粉體為聚乙烯比咯烷酮、羥丙基纖維素及甘露醇。
為進一步說明本發明的技術方案，現提供以下實施例。
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法；下述實施例中所用的試劑、材料等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
下述實施例中所使用的聚乙烯比咯烷酮(pvp-k30)、羥丙基纖維素(hpc)及甘露醇(200sd)購買於英國astrazeneca公司。
下述實施例中所使用的instron測試設備購買於英國instron公司。
下述實施例中所使用的氯化鋰，氯化鈉及氯化鎂購買於飛世爾實驗器材(上海)有限公司，其飽和溶液用於分別產生11％，33％及75％的相對溼度。
下述實施例中所使用的矽膠購買於佛山市嘉德鴻海防潮科技有限公司。
實施例一聚乙烯比咯烷酮不同溼度下吸溼結塊程度定量表徵
(1)稱取10g聚乙烯比咯烷酮(pvp)粉體於不鏽鋼容器(直徑4cm)中，然後放置在盛有矽膠的乾燥器中，放置4d，粉體床質量不再發生變化；
(2)採用5kpa的壓力對步驟1)中pvp粉體床進行壓縮，所用活塞直徑為4cm，活塞加載速度為1mm/min；
(3)採用球形壓頭進行壓痕實驗，所用球為玻璃球，所用玻璃球直徑為4mm；採用3-11mn的力進行球壓痕實驗，更具體的可為7mn，球形壓頭的加載速度為1mm/min，獲得顆粒床在0％相對溼度下的初始硬度值；
(4)將pvp顆粒床分別放置25℃，11％，33％及75％相對溼度下8d，採用球壓痕法對顆粒床的硬度值進行動態測定。球形壓頭的加載速度為1mm/min，所用壓力可為7mn-5n；
(5)建立顆粒床硬度與溼度(11％，33％及75％)及時間(0-8d)的相關關係，確定pvp吸溼過程是否可逆及發生不可逆吸溼的臨界條件。
請看圖2，圖2為該實施例中球壓痕過程中壓力加載及卸載曲線。顆粒床表面吸溼結塊程度採用表面硬度(h)進行表徵。其中，硬度計算公式如下：
h＝fmax/π(db×hc,max-h2c,max)，
其中，fmax為使用的最大壓力，db為所用球的直徑，hc,max為壓力卸載曲線初始階段的斜率下對應的壓縮深度。
則最終的檢測結果如圖3所示。
從圖3可知，低溼度下(11％)對pvp粉體顆粒床表面硬度無顯著影響，表明在11％溼度下粉體顆粒床穩定性很高，不會發生吸溼結塊；在中等溼度(33％)下，雖然pvp顆粒床硬度隨著時間有所增加，但在第5d硬度值達到平衡值(3kpa)，僅為0％溼度下的3倍左右，pvp顆粒床仍具有良好的流動性；在高溼度(75％)下，且隨著時間的延長，pvp顆粒床發生嚴重的結塊現象，硬度值呈現上升趨勢，在第7天硬度達到最高值(2200kpa，是0％溼度下的2500倍)，之後隨著水分含量的進一步吸附，表面液化，硬度值有所降低。對於pvp原料來講，在硬度值低於100kpa時(第5d)，粉體吸溼結塊為可逆的，此時所形成的結塊程度較低，需要較低的力可以再回復到粉體狀態。但超過100kpa之後(第6d之後)，粉體吸溼為不可逆過程，pvp顆粒床顏色由淺黃色變為黃色。結果表明，球壓痕法與相對溼度和時間之間存在顯著的相關關係，通過顆粒床表面硬度的變化可以判斷其吸溼結塊程度及是否為可逆吸溼過程。
實施例二羥丙基纖維素不同溫度下吸溼結塊程度定量表徵
(1)稱取15g羥丙基纖維素(hpc)粉體於不鏽鋼容器(直徑4cm)中，然後放置在盛有矽膠的乾燥器中，放置4d，粉體床質量不再發生變化；
(2)採用7.5kpa的壓力對步驟1)中hpc粉體床進行壓縮，所用活塞直徑為4cm，活塞加載速度為1mm/min；
(3)採用球形壓頭進行壓痕實驗，所用球為玻璃球，所用玻璃球直徑為4mm；採用10-200mn的力進行球壓痕實驗，更具體的可為150mn，球形壓頭的加載速度為1mm/min，獲得顆粒床在0％溼度下的初始硬度值；
(4)將hpc顆粒床分別放置25℃及45℃，75％相對溼度下8d，採用球壓痕法對顆粒床的硬度值進行動態測定；球形壓頭的加載速度為1mm/min，所用壓力可為150mn；
(5)建立顆粒床硬度與溫度(25℃及45℃)及時間(0-8d)的相關關係，確定pvp吸溼過程是否可逆及發生不可逆吸溼的臨界條件。
硬度檢測方法同實施例一。
則最終檢測結果如圖3所示。
由圖3可知，在25℃，75％相對溼度下放置7-8d，產品硬度值相對比較穩定(36kpa)，但此時樣品顆粒床出現體積收縮的現象，其吸溼結塊過程已不可逆；在放置第3d時，顆粒床開始出現與容器分離的跡象(25kpa)。45℃下可以明顯加快hpc顆粒床的結塊速度，45℃，75％相對溼度下放置1d的硬度值要高於25℃，75％相對溼度下的8d的硬度值，且顆粒床體積開始降低。在25℃，75％相對溼度放置3d，45℃，75％相對溼度下放置1d後，hpc產品已經失去商品價值。因此，對於hpc產品來講，其表面硬度值低於25kpa時具有較好的穩定性。
實施例三甘露醇不同溼度下吸溼結塊程度定量表徵
(1)稱取20g甘露醇粉體於不鏽鋼容器(直徑4cm)中，然後放置在盛有矽膠的乾燥器中，放置2d，粉體床質量不再發生變化；
(2)採用7.5kpa的壓力對步驟1)中甘露醇粉體床進行壓縮，所用活塞直徑為4cm，活塞加載速度為1mm/min；
(3)採用球形壓頭進行壓痕實驗，所用球為玻璃球，所用玻璃球直徑為4mm；採用3-20mn的力進行球壓痕實驗，更具體的可為9mn，球形壓頭的加載速度為1mm/min，獲得顆粒床在0％溼度下的初始硬度值；
(4)將甘露醇顆粒床分別放置25℃，11％，33％及75％相對溼度下8d，採用球壓痕法對顆粒床的硬度值進行動態測定；球形壓頭的加載速度為1mm/min，所用壓力可為9-100mn；
(5)建立顆粒床硬度與溼度(11％，33％及75％)及時間(0-8d)的相關關係，確定甘露醇吸溼過程是否可逆及發生不可逆吸溼的臨界條件。
硬度檢測方法同實施例一。
則最終檢測結果如圖4所示。
由圖4可知，11％及33％相對溼度對甘露醇粉體硬度變化沒有顯著影響；而在75％相對溼度下，甘露醇顆粒床的硬度隨著暴露時間的延長，其硬度值升高，但在第二天達到平衡(6kpa)。但是其硬度值變化相對pvp和hpc來講要小很多。這是由於甘露醇的吸溼結塊是可逆的，其形成的結塊比較脆弱，用相對較小的機械力就可將其破壞。
以上三個實施例的結果表明，球壓痕技術可以判斷不同原料，不同溼度及溫度下隨著時間變化條件下，其形成的結塊是否可逆以及不可逆結塊發生的硬度臨界值。綜上所述，本發明所述的方法是一種快速、可靠準確的一種定量表徵粉體吸溼結塊程度的方法。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。