第十三章粉體學(xué)基礎(chǔ)

第13章粉體學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)概述粉體是無數(shù)個固體粒子集合體的總稱。粉體學(xué)（micromeritics）是研究粉體的基本性質(zhì)及其應(yīng)用的科學(xué)。粒子是指粉體中不能再分離的運動單位。但習(xí)慣上，將≤100μm的粒子叫“粉”，＞100μm的粒子叫“?！?。通常說的“粉末”、“粉?！被颉傲Ｗ印倍紝儆诜垠w學(xué)的研究范疇。在固體劑型的制備過程中（如散劑、顆粒劑、膠囊劑、片劑、粉針、混懸劑等，他們在醫(yī)藥產(chǎn)品中約占70%-80%），必將涉及到固體藥物的粉碎、分級、混合、制粒、干燥、壓片、包裝、輸送、貯存等。粉體技術(shù)在固體制劑的處方設(shè)計、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制等方面具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。第二節(jié)粉體的基礎(chǔ)性質(zhì)

一、粒子徑與粒度分布（一）粒子徑的表示方法1.幾何學(xué)粒子徑

根據(jù)幾何學(xué)尺寸定義的粒子徑，見下圖。一般用顯微鏡法、庫爾特計數(shù)法、篩分法等測定。近年來計算機的發(fā)展對幾何學(xué)粒子徑的測定帶來很大方便，測定快速、準(zhǔn)確結(jié)果。

(1)三軸徑(2)定方向徑（投影徑）(3)Heywood徑投影面積圓相當(dāng)徑，是與粒子投影面積相同的圓的直徑，常用DH表示。(4)球相當(dāng)徑

又稱為體積等價徑（equivalentvolumediameter)，是與粒子等體積的球體的直徑（記作DV），一般用庫爾特計數(shù)器測定，并由粒子的體積公式V=（DV）3/6計算而得到DV的值。2．篩分徑（sievingdiameter）

又稱為細(xì)孔通過相當(dāng)徑。當(dāng)粒子通過粗篩網(wǎng)且被截留在細(xì)篩網(wǎng)上時，粗細(xì)篩孔直徑的算術(shù)或幾何平均值稱為篩分徑，記作DA。

算術(shù)平均值：

幾何平均值：

在以上兩式中：a—粒子通過的粗篩網(wǎng)直徑，b—截留粒子的細(xì)篩網(wǎng)直徑。3．有效徑（effectdiameter）

是在液相中與粒子具有相同沉降速度的球的直徑(settlingvelocitydiameter)。該粒徑可根據(jù)Stock’s方程計算得到，因此又稱Stock’s徑,記作DStk。

4．比表面積等價徑（equivalentspecificsurfacediameter）

是與粒子等比表面積的球的直徑，記作DSV。可用透過法、吸附法測得比表面積后計算而求得。這種方法求得的粒徑為平均徑，不能求算粒度分布。

在式中，Sw—比表面積；ρ—粒子的密度；φ—粒子的性狀系數(shù)（粒子為球體時φ=6，其它形狀時一般為：φ=6.5-8）。

（二）粒度分布粉體多是由粒徑不等的粒子群組成的，存在著粒度分布（particlesizedistribution）問題。粒度分布可用簡單的表格、繪圖和函數(shù)等形式表示。一般常用頻率粒度分布或累積粒度分布來表示粉體的粒度分布狀態(tài)：1.頻率粒度分布(frequencysizedistribution)表示各個粒徑相對應(yīng)的粒子占全粒子群中的百分含量（微分型）；2.累積粒度分布(cumulativesizedistribution)表示小于（或大于）某粒徑的粒子占全粒子群中的百分含量（積分型）。粒徑（μm）頻率粒度分布累積粒度分布質(zhì)量（%）個數(shù)（%）質(zhì)量（%）個數(shù)（%）＞粒徑＜粒徑＞粒徑＜粒徑＜2020~2525~3030~3535~4040~45＞456.515.823.223.924.38.87.519.525.624.117.27.63.62.4100.093.577.754.530.616.37.56.522.345.569.483.792.5100.0100.080.554.930.813.66.02.419.545.169.286.494.097.6100.0粒子的頻率粒度分布和累積粒度分布表（百分含量的基準(zhǔn)采用個數(shù)基準(zhǔn)和質(zhì)量基準(zhǔn)）（三）平均粒子徑為了求出由不同粒徑組成的粒子群的平均粒徑，首先求出前面所述具有代表性的粒徑，然后求其平均值。求平均值的方法有多種，如下表所示。在制藥行業(yè)中最常用的平均徑為中位徑（mediumdiameter），也叫中值徑，在累積分布中累積值正好為50%所對應(yīng)的粒子徑，常用D50表示。

各種平均粒徑（四）粒子徑的測定方法

粒子徑的測定原理及方法不同，下表列出了粒徑的不同測定方法與粒徑的測定范圍。

1．顯微鏡法（microscopicmethod）

該法是將粒子放在顯微鏡下，根據(jù)投影像測得粒徑的方法，主要測定幾何學(xué)粒徑。光學(xué)顯微鏡可以測定μm級粒徑，電子顯微鏡可以測定nm級粒徑。測定時應(yīng)避免粒子間的重疊，以免產(chǎn)生測定的誤差。主要測定以個數(shù)、面積為基準(zhǔn)的粒度分布。

2.庫爾特計數(shù)法(Coultercountermethod）

該法的測定原理如右圖所示。將粒子群混懸在電解質(zhì)溶液中，隔壁上有一細(xì)孔，孔兩側(cè)各有電極，電極間有一定電壓，當(dāng)粒子通過細(xì)孔時，粒子體積排除孔內(nèi)電解質(zhì)而電阻發(fā)生改變。利用電阻與粒子的體積成正比的關(guān)系將電信號換算成粒徑以測定粒度分布。3.沉降法（sedimentationmethod）利用液相中混懸粒子沉降速度，根據(jù)Stock`s方程求出。Stock`s方程適用于100μm以下的粒徑的測定，常用Andreasen吸管法，如右圖。這種裝置固定一定沉降高度，將一定量的混懸液在一定時間間隔內(nèi)取出，測得的粒子徑與粒度分布為重量基準(zhǔn)。有效徑的測定法還有離心法、比濁法、沉降天平法、光掃描快速粒度測定法等。4．比表面積法（specificsurfaceareamethod）粉體的比表面積隨粒徑的減少而迅速增加，因此通過粉體層中比表面積的信息與粒徑的關(guān)系可以求得平均粒徑（測定粒度范圍為100μm以下），但不能求得粒度分布?？捎梦椒ê屯高^法測定，參見本書的比表面積測定法。5．篩分法（sievingmethod）是粒徑分布測量中使用最早、應(yīng)用最廣、簡便和快速的方法。常用測定范圍在45μm以上。（1）篩分原理篩分法是利用篩孔將粉體機械阻擋的分級方法。將篩由粗到細(xì)按篩號順序上下排列，將一定量粉體樣品置于最上層中，振動一定時間，稱量各個篩號上的粉體重量，求得各篩號上的不同粒級重量百分?jǐn)?shù)，由此獲得以重量基準(zhǔn)的篩分粒徑分布及平均粒徑。（2）篩號與篩孔尺寸篩號常用“目”表示?！澳俊毕抵冈诤Y面的25.4mm（1英寸）長度上開有的孔數(shù)。如開有30個孔，稱30目篩，孔徑大小是25.4mm/30再減去篩繩的直徑，參見下圖。由于所用篩繩的直徑不同，篩孔大小也不同，因此必須注明篩孔尺寸，常用篩孔尺寸是μm。

篩網(wǎng)尺寸的示意圖

各國的標(biāo)準(zhǔn)篩號及篩孔尺寸有所不同，中國藥典在R40/3系列規(guī)定了藥篩的九個篩號。右表列出一些國家標(biāo)準(zhǔn)篩系的對照關(guān)系，我國常用的標(biāo)準(zhǔn)篩號與尺寸見右表。

第三節(jié)粉體的密度及空隙率一、粉體的密度單位體積粉體的質(zhì)量稱為粉體密度。由于顆粒內(nèi)部含有空隙，顆粒之間也含有空隙，所以給粉體體積的測定帶來麻煩。粉體密度根據(jù)體積的含義不同具有不同的定義。相應(yīng)于各種密度為：

1．真密度ρt

（truedensity）

ρt

是粉體質(zhì)量（W）除以不包顆粒內(nèi)外空隙的體積（真體積Vt）求得的密度，即ρt=W/Vt2．顆粒密度ρg（granuledensity）

ρg是粉體質(zhì)量除以包括封閉細(xì)孔在內(nèi)的顆粒體積Vg所求得密度，也叫表觀顆粒密度；粉體質(zhì)量除以包括開孔及閉孔在內(nèi)的顆粒體積所求得密度為有效顆粒密度；用公式表示為ρg=W/Vg。

若顆粒致密、無細(xì)孔和空洞，則ρt=ρg；一般情況下ρt≥ρg＞ρbt≥ρb。3．松密度ρb（bulkdensity）

ρb是粉體質(zhì)量除以該粉體所占容器的體積V求得的密度，亦稱堆密度，即ρb=W/V。填充粉體時，經(jīng)一定規(guī)律振動或輕敲后測得的堆密度稱振實密度ρbt（tapdensity）。真密度與顆粒密度的測定液浸法壓力比較法松密度與振實密度的測定粉體密度的測定方法二、粉體的空隙率空隙率（porosity）是粉體層中空隙所占有的比率。由于顆粒內(nèi)、顆粒間都有空隙，相應(yīng)地將空隙率分為顆粒內(nèi)空隙率、顆粒間空隙率、總空隙率等。顆粒的充填體積（V）是粉體的真體積（Vt）、顆粒內(nèi)空隙體積（V內(nèi)）、顆粒間空隙體積（V間）之和，即V=Vt+V內(nèi)+V間。因此有：

顆粒內(nèi)空隙率ε內(nèi)=V內(nèi)/（Vt+V內(nèi)）顆粒間空隙率ε間=V間/V

總空隙率ε總=（V內(nèi)+V間）/V空隙率也可以通過相應(yīng)的密度計算而求得：

第四節(jié)粉體的流動性與充填性一、粉體的流動性（flowability）粉體的流動性與粒子的形狀、大小、表面狀態(tài)、密度、空隙率等有關(guān)，加上顆粒之間的內(nèi)摩擦力和粘附力等的復(fù)雜關(guān)系，粉體的流動性無法用單一的物性值來表達(dá)。粉體的流動性對顆粒劑、膠囊劑、片劑等制劑的重量差異影響較大，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。（一）流動性的評價與測定方法休止角是粉體堆積層的自由斜面與水平面所形成的最大角。常用的測定方法有注入法，排出法，傾斜角法等。休止角不僅可以直接測定，而且可以通過測定粉體層的高度和圓盤半徑后計算而得，即tanθ=高度/半徑。

1．休止角（angleofrepose）休止角是粒子在粉體堆積層的自由斜面上滑動時所受重力和粒子間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測得，是檢驗粉體流動性的好壞的最簡便的方法。

休止角越小，摩擦力越小，流動性越好，一般認(rèn)為θ≤40°時可以滿足生產(chǎn)上對流動性的需要。粘性粉體（stickypowder）或粒子徑小于100～200μm以下粉體的粒子間相互作用力較大而流動性差，相應(yīng)地所測休止角較大。值得注意的是，測量方法不同所得數(shù)據(jù)有所不同，重現(xiàn)性差，所以不能把它看作粉體的一個物理常數(shù)。2．流出速度（flowvelocity）

流出速度是將物料加入于漏斗中用測定的全部物料流出所需的時間來描述，測定裝置如下圖所示。

如果粉體的流動性很差而不能流出時,加入100μm的玻璃球助流,測定自由流動所需玻璃球的量（w%）,以表示流動性。加入量越多流動性越差。3．壓縮度（compressibility）將一定量的粉體輕輕裝入量筒后測量最初松體積；采用輕敲法（tappingmethod）使粉體處于最緊狀態(tài)，測量最終的體積；計算最松密度ρ0與最緊密度ρf；根據(jù)下式計算壓縮度C。壓縮度C反映了粉體的凝聚性、松軟狀態(tài)：C<20%時,流動性較好；C值增大時，流動性變差；C值增大達(dá)到40%-50%時,粉體將很難從容器中自動流出。1.增大粒子大小