关键词：CMC、锂离子电池、粘合剂、水分、粉体流变学、内聚力、TGA
RH126-CN
摘要
粉体的可加工性取决于内聚强度和流动函数等因素。粉体流变学可用于测量这些特性，进而在料斗设计、流速选择和质量控制中起到帮助。羧甲基纤维素粉体是一种吸湿性材料，用途广泛。使用 TA Instruments 粉体流变附件测量了水分含量对内聚强度的影响。结果发现，内聚强度随水分含量的增大而增加，这表明，在加工过程中控制湿度非常重要。
引言
粉体材料应用于从化妆品到食品等多种行业，其应用范围非常广泛，如电池电极 [1] 和药品片剂的生产等。各种制造过程均涉及到粉体，因此粉体表征是确保高效运营和保持质量控制的重要步骤。 内聚强度和流动函数等特性会影响料斗设计、质量流量和终产品质量。粉体流变学可提供快速、可重复的粉体流动特性测量 [2]。
羧甲基纤维素（CMC）是一种常用的增稠剂、粘合剂或稳定剂。CMC 具有吸湿性，即使在环境条件下也可保持水分，这可能会改变其流动特性并影响质量和制造过程。水分的存在也可能影响终产品（如电极浆料）中的 CMC 浓度。在制药行业，由于 CMC 对湿法制粒和压片的影响，了解 CMC 的水分敏感性尤为重要。粉末剪切池测量已用于量化湿度和湿度对粉体流动特性的影响 [3]。
本研究应用 TA Instruments 的粉体流变剪切池附件来研究水分对 CMC 粉体的影响。此前，该附件曾用于研究乳糖粉体的流动性和内聚强度 [4]。在本研究中，将利用它来研究内聚力和流动函数。还将应用 TA Instruments 的热重分析仪 (TGA) 来确定粉体的水分含量。
实验
本研究中由 Deiman 制造的 CMC 样品来自商业购买。在三个不同的湿度室中平衡样品粉体：环境湿度、49% 相对湿度（RH）和 84% 相对湿度。应用 TA Instruments Discovery TGA 测量 CMC 样品的水分含量。TGA 测量时将样品放在铂金坩埚中，在氮气环境下以 10°C/分钟的升温速率将样品升温至 800°C 并进行测量。
粉体流变附件包括可互换的剪切池和流动池。本研究中的所有测量均使用剪切池（如图 1 所示）和 Discovery HR 流变仪在环境室内条件下进行。 图 2 演示了用于测试的粉体样品的制备过程。使用提供的修边道和漏斗将 CMC 粉体加载到剪切池中。然后，通过施加 9 kPa 的应力使粉体固结，然后进行修边，以去除多余的粉体并使样本的表面平整以进行测试。
表 1. 多步粉体剪切测试程序
| 步骤 | 预剪切应力（kPa） | 测试应力 kPa |
|---|---|---|
| 1 | 9 | 7 |
| 2 | 9 | 6 |
| 3 | 9 | 5 |
| 4 | 9 | 4 |
| 5 | 9 | 3 |
按照 ASTM D7891 [5] 进行测试，固结应力为 9 kPa。表 1 详细说明了所用的程序。每个测试包括五个步骤。在每个步骤前，样品在 9 kPa 下缓慢旋转（角速度为 1*10-3 rad/秒）进行预剪切，直至测定的剪切应力达到稳态为止。然后，将施加的法向应力降至表 1 中为该步骤指定的数值，范围从 7 kPa 到 3 kPa。
应用 TRIOS 软件 中的 TA Instruments 粉体剪切分析 (Powder Shear Analysis) 计算内聚强度和流动函数。这些参数可用于预测和控制制造过程中的质量流量。内聚力是屈服轨迹的 y 截距，流动函数 (FF) 是主要主应力与无侧限屈服强度的比值。
结果和讨论
CMC 样品的水分含量如图 3 所示。
粉体剪切测量表明，内聚强度和水分之间存在很强的关联。随着 CMC 粉体水分含量的增加，内聚强度也会增加，如图 4 所示。
如表 2 所总结，环境湿度和 84% 相对湿度样品间的流动函数 (FF) 从 18.3 降低到 4.3。更高的流动函数意味着粉体更易于流动，这对于制造过程是适宜的。这些结果表明，控制加工区域的湿度对于调节可影响效率和质量的粉体流动非常重要。
Table 2. Summary of powder shear measurements for CMC samples
| CMC | 水分含量 (%) | 内聚强度（kPa） | 流动函数（FF） |
|---|---|---|---|
| 环境条件 | 8.3 | 0.15 | 18.3 |
| 49% RH | 15.1 | 0.58 | 9.5 |
| 84% RH | 25.0 | 1.20 | 4.3 |
结论
TGA 测量表明，CMC 粉体在调节后具有不同的水分含量。在 Discovery HR 上进行粉体流变测量以确定 CMC 粉体对水分的敏感性。粉体剪切测量发现，内聚强度随水分含量的增加而增加。因此，水分含量较高的样品会具有较低的流动函数，进而会影响到粉体加工。为确保质量控制和高效运营，CMC 粉体应在湿度受控的环境中进行加工。
参考文献
- K. Dennis and S. Cotts, “Powder Rheology of Graphite: Characterization of Natural and Synthetic Graphite for Battery Anode Slurries,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- R. Freeman, “Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders- A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell,” Powder Technology, vol. 17, pp. 25-33, 2007.
- D. Schulze, “Round robin test on ring shear testers,” Advanced Powder Technology, vol. 22, pp. 197-202, 2011.
- J. R. Vail and S. Cotts, “Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutrical excipients,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- “ASTM D7891-15 Standard Test Method for Shear Testing of Powders Using the Freeman Technology FT4 Powder Rheometer Shear Cell,” ASTM International, 2016.
致谢
本文由 Jennifer Vail 博士、Kimberly Dennis 博士和 Tianhong (Terri) Chen 博士撰写。
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