机械粉碎多尺度艾叶粉体学性质分析

秦军伟，任德志，白雪卫，宁晓峰，王丹阳，孟五洲，李志军

（1.安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000；2.沈阳农业大学工程学院，沈阳 110161）

艾草是一种已有2 000多年药用历史的传统中药材，中医学、藏医学、维医学和傣医学中均有应用记载，目前侧重于艾绒制备、有效成分提取、医药学临床应用等[1-2]。虽然关于艾草粉体的应用研究相对较多[3-4]，但是针对其物理学特性，特别是粉体学性质的研究，笔者查阅到的相关文献较少。而对于粉体的分级、包装、储运、有效成分提取等加工工艺研究，以及相应的加工机械设计，诸如吸湿性、流动性、压缩性及喷流性等粉体学特性的研究具有重要的指导意义和参考价值。

近年来，微细化粉碎技术在大农业产物加工领域的应用日渐成熟，而针对其粉体产物的粉体学性质开展了大量的科学研究。CODA 等[5]认为休止角和滑角越小，粉体流动性越好，若休止角不超过30°，说明流动性较好；随着粒度减小，郝竞霄等[6]认为茶树菇粉体休止角和滑角减小而流动性提高，但赵萌萌等[7-10]却发现青稞麸皮等粉体休止角增大而流动性减弱。YOHANNES 等[11]发现粒径分布越宽，机械压缩粉体固结形成的堆积结构更加致密；杨祺等[12]揭示桑叶和玫瑰花提取物的粉末压缩成型性与松密度呈正相关，与休止角、流动稳定性呈负相关；杜焰等[13]指出孔隙率-上冲压力关系曲线和Heckel 曲线均显示茯苓具有塑性特征，但物理性质与粉体压缩成形性之间的规律有待研究；李延年等[14]发现干燥处理导致丹参浸膏粉体的流动性和稳定性变差；李硕等[15]表明干燥时间对陇药煮散颗粒粉体学有影响，不同药材的流动性和压缩率变化明显；郭艳红等[16]认为贮存时间影响配方奶粉的喷流性，不同奶粉配方表现出不同的喷流性，这与郝春明等[17]对面粉和全麦粉及郭群[18]对滑石粉痱子粉和玉米淀粉痱子粉的研究结论相近。

因此，本研究借鉴上述参考文献研究方法，以机械粉碎法制备的多尺度艾叶粉体为研究对象，采用粉体综合特性测试仪测定并计算相关参数，分析粉体粒度和含水率对流动性、压缩性以及喷流性的影响机理，以期为后续中药材粉体的分级、储运、成分提取等深加工工艺及加工设备研究提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器设备

艾叶，购自安阳市文峰区农贸市场，平均湿基含水率为37.5%。

仪器设备：101-0A 恒温热风干燥箱，上海阳光实验仪器有限公司；JL-4500A 多功能粉碎机，永康市速锋工贸有限公司；Ø 200×50标准筛，上虞市纱筛厂；BT-1000粉体综合特性测试仪，丹东百特仪器有限公司。

1.2 艾叶粉体学性质测定

以流动性、压缩性和喷流性作为粉体学特性评价指标，分别以差角θd、压缩度Cp和分散度Da表征。试验时，将艾叶粉体置于BT-1000 粉体综合特性测试仪中，测定休止角θr和崩溃角θf、松装密度ρa和振实密度ρp，分别计算θd、Cp和Da[19-21]，即：

式中：G0、G1、G2分别为容器质量、松装密度测试中容器与粉体总质量、振实密度测试中容器与粉体总质量（g）；G和10分别为接料盘中粉体质量、粉体初始质量（g）。

1.3 方法

1.3.1 艾叶粉体样本制备 艾叶通过热风干燥箱除水后，置于剪切粉碎机中进行微细化处理，通过标准筛进行筛分处理，获得粒度为62~850 μm的多尺度粉体。在40 ℃条件下再次将样本热风干燥至恒重，置于封口袋中备用。

1.3.2 粒度对艾叶粉体学特性影响试验 采用标准筛对粉体进行筛分处理，制备不同粒度的艾叶微粉（湿基含水率为2.1%）。通过粉体综合特性测试仪测得相关数据，计算差角、压缩度和分散度，绘制粒度与各参数的关系曲线，并分析粒度对各指标的影响规律。

1.3.3 含水率对艾叶粉体学特性影响试验 分别取6份均为100 g的未进行粒度分级的多尺度干燥艾叶微粉，置于盛有饱和氯化钠溶液容器的上方，并将容器放入恒温箱中进行等温吸湿处理，通过控制吸湿时间获得湿基含水率分别为1.1%、2.1%、3.2%、4.1%、6.2%和8.3%的粉体。将不同含水率的艾叶微粉置于粉体综合特性测试仪中测定相关数据，计算差角、压缩度和分散度，绘制含水率与各参数的关系曲线，并分析含水率对各指标的影响规律。

2 结果与分析

2.1 粒度对粉体学特性的影响

2.1.1 粒度对粉体流动性的影响 粉体流动性评价指标主要包括休止角、差角、压缩度等[22]，而粒度对流动性评价指标的影响非常明显[23]。由图1可知，粒度对艾叶粉体休止角、崩溃角和差角影响显著。以75 μm粒度为临界点，粉体休止角和崩溃角呈先增后减趋势，而差角呈先降后升趋势，故流动性表现出先降后升特点。原因可能是小于75 μm时，随着粒度增大，比表面积减小，微粒由光滑球状向不规则形状转变，彼此间相互阻碍制约，从而使得流动性减弱；大于75 μm时，粒度增大，比表面积减小，表面聚合力和黏着力降低，团聚现象概率降低，故流动性提高。

图1 粒度对艾叶粉体角度影响Figure 1 Effect of particle size on angles

2.1.2 粒度对粉体压缩性的影响 压缩性反映粉体压缩过程中不可逆形变的能力[24]。压缩度越大，说明可压缩性越好。由图2和图3可知，粒度对艾叶粉体松装密度、振实密度和压缩度影响显著。粒度增大，松装密度和振实密度均呈现减小趋势，可能是因为粒度增大，微粒形状越不规则，在容器中的排列越松散使得孔隙率持续增大，容器中容纳的微粒数量减少，故松装密度和振实密度均减小。而压缩度以75 μm为临界点呈先增后减趋势，故粉体压缩性也是先增后减特点，这是因为小于75 μm时，微粉中规则形状的“粉”比例更高，虽然粒度增大，但是振实过程中微粒排列更加致密，容纳数量更多，振实密度减小趋势更小而导致压缩度增大；大于75 μm后，不规则形状的“粒”比例逐渐增大，振实后容器中的微粒排列更加松散，容纳数量越少，振实密度减少趋势更明显，导致压缩度呈降低趋势。

图2 粒度对艾叶粉体密度影响Figure 2 Effect of particle size on densities

图3 粒度对艾叶粉体压缩度影响Figure 3 Effect of particle size on compressibility

2.1.3 粒度对粉体喷流性的影响 分散度或差角用于表征粉体喷流性[17]，差角越小或分散度越大，说明喷流性越强[16]。由图4可知，粒度对艾叶粉体喷流性影响显著。随着粒度增大，分散度呈先增后减趋势，即喷流性呈先增后减特点。分散度试验中，粉体微粒受自身重力、空气浮力及微粒间作用力影响。小于75 μm时，粒度增大，粉体比表面积和比表面能减少，微粒间作用力降低，团聚体数量减少，分散于空气中的微粒数量反而增加，故分散度呈增加趋势；大于75 μm时，粒度增大，微粒自身重力增大，更多微粒承受的空气浮力逐渐小于自身重力，分散于空气中的微粒数量逐渐减少，故分散度持续降低。

图4 粒度对艾叶粉体分散度影响Figure 4 Effect of particle size on dispersity

2.2 含水率对粉体学特性的影响

2.2.1 含水率对粉体流动性的影响 由图5可知，含水率对艾叶粉体休止角、崩溃角和差角影响明显。含水率提高，粉体休止角和崩溃角均呈现正线性相关趋势，差角却呈现负线性相关趋势，即流动性持续降低。这可能是因为粉体吸湿后，其表面张力、毛细管力及液桥作用力增大，微粒间的相互作用增强而产生黏性，容易产生团聚现象，导致流动不畅而降低流动性。

图5 含水率对艾叶粉体角度影响Figure 5 Effect of moisture content on flowability

2.2.2 含水率对粉体压缩性的影响 由图6和图7可知，含水率对艾叶粉体松装密度、振实密度和压缩度影响明显。含水率增大，松装密度和振实密度增大趋势相近且逐渐变缓，使得压缩度近似呈现正线性相关趋势。这是因为粉体振实前和振实后，水分子比空气分子对粉体的亲和性更强，吸湿后粉体微粒更容易聚合，在容器中的排列更加致密，导致松装密度和振实密度随含水率增大而增大。而在水分子的吸附黏合作用下，振动过程使得更多的粉体微粒聚合而占据更少的空间，所以同等容器中振实密度数值要比松装密度数值增加更明显，导致压缩度呈上升趋势。

图6 含水率对艾叶粉体密度影响Figure 6 Effect of moisture content on

图7 粒度对艾叶粉体压缩度影响Figure 7 Effect of moisture content on

2.2.3 含水率对粉体喷流性的影响 由图8可知，含水率对艾叶粉体分散度影响显著。含水率增大，分散度呈现负线性相关趋势，即喷流性降低。这是因为艾叶粉体是一种亲水性较强的物质，水分子在微粒表面和微粒间凝集，微粒间形成液桥而增强了粘附力，导致部分微粒形成团聚体，从而抑制了粉体在空气中的分散飞溅，即降低了粉体的喷流性。

图8 含水率对艾叶粉体分散度影响Figure 8 Effect of moisture content on dispersity

3 讨论与结论

在粒度对艾叶粉体流动性影响试验中，发现其影响规律与HUANG等[25]的研究结果不尽一致。结合相关文献[6-10]，初步分析认为这是由不同材料的微观结构差异性造成的，但是需要进一步试验验证。

本研究结果表明，艾叶粉体的流动性、压缩性和喷流性与其粒度和含水率密切相关。随着粒度增大，流动性呈现先降后升趋势，而压缩性和喷流性呈现先增后减趋势；随着含水率提高，流动性和喷流性持续减弱，而压缩性则缓慢增强。在粒度为62~850 μm、含水率为1.1%~8.3%的试验条件下，艾叶粉体的休止角23 °＜θr＜36°、压缩度11%＜Cp＜17%，对照Carr流动性指数评价表[19]分析，认为其具有较高的流动性、较弱的压缩性；艾叶粉体的分散度4%＜Da＜11%、崩溃角16°＜θf＜33°、差角2°＜θd＜8°，对照Carr喷流性指数评价表[26]分析，认为其具有较强的喷流性。

由于粉体的包装、储运、有效成分提取或压片成型等加工工艺过程对粉体学性质要求不同，可以参考本研究结果，通过控制粒度分布或含水率的方式来改变粉体学性质，使其满足艾草粉体储存、艾草精油提取等不同加工工艺过程对粉体物理学性质的要求，从而优化加工工艺参数，提高加工效率等。本研究结果也可为粉体装袋机、输送机等加工机械的参数设计与结构优化提供数据参考，从而设计机械结构更合理、适应性更强的粉体加工设备。