분체의 유동성 측정 및 개선 방법

문서 내 토픽

1. 안식각(Angle of Repose)

안식각은 일정한 높이에서 자유낙하시킨 입자들이 형성한 경사면과 수평면 사이의 각도로, 분체의 흐름성을 나타내는 직접적인 지표입니다. 안식각 값이 작을수록 분체의 흐름성이 좋으며, 일반적으로 40° 이하가 선호됩니다. 안식각에 영향을 미치는 인자는 입자경, 미분(활택제)의 혼입, 함수율, 습도 등이 있습니다. 입자경이 증가하고 소량의 미분이 혼입되면 안식각이 감소하여 유동성이 증가하고, 함수율과 습도가 증가하면 안식각이 증가하여 유동성이 감소합니다.
2. 압축성지수(Compressibility Index)와 하우스너비(Hausner Ratio)

압축성지수(Carr's Index)는 분말의 압축성을 나타내며, CI 값이 20% 보다 클 경우 호퍼 내에서 입자들이 결합을 형성하는 경향을 보이고, 40% 이상이 되면 호퍼에서 배출되기 어렵습니다. 하우스너비(HR)는 탭밀도와 겉보기밀도의 비로 계산되며, 분말의 흐름성이 높을수록 두 밀도 간의 차이가 적습니다. 이 두 지표는 분체의 유동성을 정량화하는 데 사용됩니다.
3. 겉보기밀도(Bulk Density)와 탭밀도(Tapped Density)

겉보기밀도는 분체를 눌러 다지지 않고 느슨하게 충전했을 때의 밀도이며, 탭밀도는 분체 검체를 넣은 측정용 용기를 기계적으로 탭하여 얻은 밀도입니다. 정질량법과 정용량법 두 가지 측정 방법이 있으며, 측정은 3회 반복하여 평균값을 구합니다. 겉보기밀도는 Scale-up 시 생산장비의 장입률 예측에 사용되고, 분체의 충전성, 압축성, 유동성 등의 척도가 됩니다.
4. 유동성 개선 방법

분체의 유동성을 개선하기 위한 방법으로는 과립화를 통한 입자크기 증대, 함수량 조절, 보관 온도와 습도 조절, 소량의 미분말(활택제) 첨가 등이 있습니다. 입자크기를 증대하면 단위 질량당 표면적이 감소하여 응집력이 감소하고 흐름성이 증가합니다. 함수율이 증가하면 분체의 부착성과 응집성이 증대되어 유동성이 낮아지므로 조절이 필요합니다. 활택제는 1~2% 이하로 첨가하면 유동성이 증대되지만, 과량일 경우 유동성 저하가 발생합니다.

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1. 안식각(Angle of Repose)

안식각은 분말 및 입자 물질의 유동성을 평가하는 중요한 물리적 특성입니다. 이 지표는 물질이 자연적으로 안정된 상태를 유지할 수 있는 최대 경사각을 나타내며, 제약, 식품, 화학 산업에서 광범위하게 활용됩니다. 안식각이 작을수록 물질의 유동성이 우수하다는 것을 의미하며, 이는 생산 공정의 효율성과 직결됩니다. 다만 측정 방법에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 표준화된 절차 준수가 필수적입니다. 실무에서는 안식각 값을 통해 저장 용기 설계, 운송 방식 결정, 공정 최적화 등 중요한 의사결정을 내릴 수 있어 매우 실용적인 지표라고 평가합니다.
2. 압축성지수(Compressibility Index)와 하우스너비(Hausner Ratio)

압축성지수와 하우스너비는 분말의 압축 특성을 정량화하는 상호보완적인 지표들입니다. 이들은 겉보기밀도와 탭밀도의 관계를 통해 입자 간 공극률 변화를 평가하며, 분말의 유동성 예측에 매우 유용합니다. 압축성지수는 백분율로 표현되어 직관적이고, 하우스너비는 비율로 표현되어 국제적 비교에 용이합니다. 두 지표 모두 제약 산업의 정제 제조, 식품 산업의 분말 처리에서 품질 관리의 핵심 요소입니다. 다만 이들 지표만으로는 완전한 유동성 평가가 어려우므로 안식각 등 다른 지표와 함께 종합적으로 고려해야 합니다.
3. 겉보기밀도(Bulk Density)와 탭밀도(Tapped Density)

겉보기밀도와 탭밀도는 분말 물질의 공극 구조를 이해하는 데 필수적인 기본 물성입니다. 겉보기밀도는 자연 상태의 입자 배열을 반영하고, 탭밀도는 기계적 진동을 통한 최대 압축 상태를 나타냅니다. 이 두 값의 차이는 입자 형태, 크기 분포, 표면 특성 등 물질의 구조적 특징을 간접적으로 보여줍니다. 산업 현장에서는 이들 값을 통해 저장 용기 용량 계산, 운송 비용 추정, 공정 설계 등 실질적인 결정을 내립니다. 정확한 측정을 위해서는 표준화된 장비와 절차 준수가 중요하며, 이는 제품 품질 보증의 기초가 됩니다.
4. 유동성 개선 방법

분말의 유동성 개선은 산업 생산성 향상의 핵심 과제입니다. 유동성 개선 방법은 크게 물리적 방법(입자 크기 조절, 형태 개선, 표면 처리)과 화학적 방법(유동성 보조제 첨가)으로 나뉩니다. 실리카, 마그네슘 스테아레이트 등의 첨가제는 입자 간 마찰을 감소시켜 효과적입니다. 또한 습도 제어, 저장 환경 최적화도 중요한 역할을 합니다. 다만 첨가제 사용 시 최종 제품의 품질, 규제 요건, 비용 효율성을 종합적으로 고려해야 합니다. 최근에는 나노 기술과 표면 개질 기술을 활용한 혁신적 방법들이 개발되고 있으며, 이는 더욱 효과적이고 안전한 유동성 개선을 가능하게 합니다.

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