可压性

灵敏度高、线性传感范围宽的柔性压力传感器在机器人触觉、健康监测、可穿戴设备领域具有重要应用。构筑微结构可以提高传感器的灵敏度，但由于软材料在压力作用下的结构硬化问题使传感器的响应逐渐饱和，导致器件呈现较窄的传感范围和显著的非线性响应。针对这一问题，来自南方科技大学的郭传飞教授团队设计了由微穹顶阵列与带有次级微柱的微穹顶（分级微穹顶）阵列而形成的一种分级互锁结构，有效提升界面结构的可压缩性，显著降低结构硬化，实现柔性压力传感器的高灵敏度（49.1 kPa-1）、线性响应（相关系数R20.995）和宽传感范围的统一（~485 kPa）。传感器的响应/恢复时间小于5 ms，可以检测频率高达200 Hz的振动刺激，显示出良好的动态响应特性。将传感器用于机械手的抓取任务中，结合机器学习，帮助机械手识别被抓取物体的重量，提升机器人触觉感知能力。相关工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range”为题发表于国际期刊《ACS Nano》。 该研究使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具，进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，单个微穹顶尺寸（电极模具）：宽290 μm，高480 μm；次级微柱尺寸（离子膜模具）：直径28 μm，高70 μm。每层打印精度设置为5 μm，以实现分级互锁结构的高精度、定制化打印。 这项工作为制造具有高灵敏度、高线性度和宽压力响应范围的柔性压力传感器提供了一种策略，在未来的触觉器件中具有广阔的应用前景。 图1. 分级互锁结构的可压缩性及器件传感原理 分级互锁结构由微穹顶结构与带有次级微柱的微穹顶结构组成。微柱在分级互锁结构中具有重要作用。一方面，它提高了结构的可压缩性，减少结构硬化，使应力分布更均匀，有助于实现线性形变；另一方面，微柱结构的引入减小了电极与离子膜之间的起始接触面积，可有效提高了器件的灵敏度（图1）。 图2. 分级互锁型柔性压力传感器的制备该研究使用面投影微立体光刻技术打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具。进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜，并与平面电极PET/Au组合、封装，获得分级互锁型器件（图2）。 图3. 分级互锁型柔性压力传感器的传感性能分级互锁结构的设计实现了器件的高灵敏度、高线性度及宽传感范围的统一，同时提升了器件的响应速度，实现对高频振动刺激的精准检测，呈现出良好的动态响应特性（图3）。 图4. 分级互锁型柔性压力传感器的线性传感特性 将该传感器用于开发线性响应的电子天平，并用于测量几种未知物体的重量，其输出结果与商业电子天平的称量结果几乎一致，表明了自制电子天平对质量的测量比较准确、可靠，而且无需额外的非线性校准，大大简化数据处理过程（图4）。 图5. 基于机器学习的抓取任务感知与重量识别 柔性压力传感器的一个重要应用是为机器人带来触觉感知能力，使机器人能够像人类一样与外界互动。将分级互锁型传感器集成在气动抓手表面，实现机械手在抓取物体时的触觉感知；结合机器学习，帮助机械手识别物体的重量（图5）。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10535作者：白宁宁

药物粉末是一种干燥的、散状固体，由很多细小的颗粒组成，通常根据粗细和颗粒大小进行分类。粉末本身并没有被广泛地用作剂型，但经常被用于其他剂型的制备，如片剂，胶囊剂和吸入剂，并经常添加至其他成分中制成半固体状，如乳剂、软膏和膏状。1 方法介绍 粉末的流动性取决于几个因素，有些与粉末原材料有关，有些与实际生产过程有关，例如粉末从容器（料斗、漏斗、圆筒等）流出的能力或制成片剂时的可压缩性。美国药典1174章节和欧洲药典2.9.36章节药典推荐了三种测试粉末流动的方法：1 通过孔口流动测试定量粉末流过已知尺寸孔口的能力和时间是一种有效的测试方法。顾名思义，这种技术只适用于自由流动的粉末，不适用于粘性材料。2 静止角法（休止角）静止角，也有的称为休止角，是将粉末颗粒倒在水平表面时产生的圆锥形角度（相对于水平基底）。这与有关材料的密度、表面积、摩擦系数有关。3 剪切池法 测量破坏由散状样品形成的圆盘时的剪切力。包括2个阶段：样品固结和破坏（剪切强度），剪切池方法被广泛应用于制药行业来确定细小颗粒粉末和散状固体的流动特性以及它们在箱子、漏斗、给料机和其他处理设备上的表现。2 测试解决方案 Copley的BEP2型流动性测试仪为您提供了测试粉末流动性的方法，包含药典中引用的3种方法：通过孔口流动，静止角和剪切池，是一台一体而高效的仪器。通过在挡板机制中添加天平/计时器快捷装置来替代秒表，简化质量和时间的测试，可测试如下参数：a.固定重量样品的流动时间b.固定时间流出的样品重量c.固定体积样品的流动时间d.单位时间的样品重量（重量/时间）3 丰富的配件4 订货信息

测试结果有助于设计方案和原料的选择。工业催化剂作为一种复杂材料，需要不断精制提高加工效率同时减少对环境产生的影响。催化剂能够提高原料灵活性，降低能耗，增加选择性和延长使用寿命，对石油化工可持续性的提升发挥了重要的作用。对于商业化非均相催化剂，添加粘合剂、填料、致孔剂和增塑剂等，将活性相和载体转化为特定几何形状和性能稳定的产品。由于大多数催化剂成分为粉料，因此有效的粉体加工是催化剂高效生产的先决条件。托普索公司位于丹麦灵比，作为化工、炼油行业中高性能催化剂和专利技术的全球领导者，提供超过150种催化剂。该公司应用粉体表征技术，如ft4粉体流变仪，对催化剂生产设备的设计方案进行优化，改进原料的选择。确定与粉体传输过程密切相关的特性，从而制定设备选型的标准，最大限度降低新工厂的运行成本。此外，辅助筛选原料，降低意外停工的风险，有助于加快粉体加工效率。催化剂生产非均相催化剂加工简单，生产高效，在炼油和化工行业中尤为普遍。这种催化剂是多元络合物，结构为毫米尺度，化学性能和机械性能优异[1]。化学性能取决于活性相的有效分散和传质、传热的精确控制。催化剂寿命，即维持反应和选择性的时间，是关键的商业因素。控制机械性确保整个催化剂床层产生的压力降可控，维持稳定、长效反应所需的机械强度。机械摩擦也会破坏催化剂性能。从活性相和载体的结合开始，配方开发人员通过一系列添加剂的组合，实现催化剂工业化并满足工艺需求。添加剂包括炭黑或淀粉等致孔剂——热处理分解，形成颗粒内孔隙，以及增强机械成型的增塑剂和润滑剂[2]。催化剂的生产取决于这些成分的有效组合和重现。作为一个复杂、多步骤过程，主要涉及[2，3]：• 粉料原料的准备；• 通过喷雾干燥、球化、压实、湿法造粒、挤出等过程形成的预混物和团聚“中间体”；• 硬化和精制，例如还原，洗涤涂层或离子交换。粉体传输和可控定量，作为众多加工过程的基本要素，要求设计方案和操作实践的效率最大化。除了特定的单元操作，还需表征粉体，理解、解释并控制催化剂整个生产过程的表现。托普索公司通常使用激光衍射法测试粒径分布，振实密度评价原料和中间体。但凭这些数据去选择和确定加工设备仍不可靠。此外，这些测试并未充分评估原料的替代品是否匹配特定工艺。单凭这些测量技术，工艺方法的开发无法达到最优，包含一定程度的错误，引入新物料或更换供应商时停机的风险增大。托普索公司还加入了罗格斯大学催化剂制造联盟。这一小组汇集了不同学科的研究学者，从事催化剂生产改进项目。成果之一是基于动态、剪切和整体粉体特性的测试[4]，开发出更好的方法选择催化剂组分的失重（liw）进料器。托普索公司运用此项工作的成果来设计、选择和优化liw进料器；现有粉体测试在实践过程中极具潜力，同时也提高了公司对这一收益的认知。托普索公司使用ft4粉体流变仪进行内部评估，获得75种原料的动态、剪切和整体特性数据（总计超过25个特性）。在此成功试验的基础上，公司于2012年购买仪器成为用户。确定设计方案为了优化新仪器的应用，托普索公司进行深入评估，包括运用主成分分析（pca），建立原料特性数据库，确定能否减少常规测量的次数，最大程度地减少成本，这也是一个重要的商业考虑。公司还进行了不同粉体传输设备性能与特定粉体特性相关性的研究。这项工作确定了粉体传输应用中三个关键的属性：可压性，透气性和粘结应力。可压性量化粉体受到固结应力时的体积变化，通过测量整体密度与所施加正应力的函数（图1左、中）得到。虽然粘性较强的粉体相比自由流动的材料更可压，pca分析说明可压性是独立变量，与其他参数无关。关键粉体整体特性图1.测量可压性（左、中）和透气性（右）有助于理解粉体行为。透气性测量了粉体对于气流的阻力，通过测量特定固结压力下粉床压力降与气流速度的函数（图1右）得到。空气不易夹带，能够轻松穿过透气性较好的粉体，与之相比，透气性较差的粉体容易滞留空气。透气性与传输过程极其相关，例如气动传输和料斗下料。粘结应力由剪切盒确定，该测试测量了固结粉层相对另一粉层剪切所需的应力。剪切盒主要量化固结粉体从静止到流动变化的难易程度。因此，粘结应力与固结的粉体、低流速工艺操作最为相关，尤其是料斗下料过程。通过评估这三个特性，托普索公司能够选择最佳的传输方式，使用气动传输或者流体隔膜泵。由于气动传输设备的造价较高，需要适合的排气系统来清除粉体夹带的空气，因此这一决定具有重大的成本影响。通常流体隔膜泵的安装成本仅为气动传输系统的10-30%。已有的设计方案，需要大约一年的时间开发并获得批准，原则如下：• 如果可压性小于36%，适合流体隔膜泵。• 如果可压性大于38%，需要气动传输系统。• 如果可压性介于36-38%，选择取决于透气性和粘结应力的值。由此确定两种方式的抉择标准。作为可压性测试的结果之一，粉体的松装密度也很重要，由此决定所选系统的传输能力。量化选用这一方式累积节省的成本也非常容易。一套全新气动传输系统成本约为80000美元，而流体隔膜泵系统通常少花费约55000美元。根据现有的设计标准确定传输系统，托普索公司自2012年底起成功安装了六套流体隔膜泵系统，并且从2015年起更换了两个现有的气动传输系统。假设每个流体隔膜泵系统的成本为气动传输系统的30%，仅根据新安装系统的保守估计，对于整体造价约34万美元的项目而言，使用粉体流变仪进行成本缩减也很可观。这说明对仪器的明智投资获得了巨大回报。优化原料的选择此外，深入的粉体表征也优化了原料选择。这项工作的目的是筛选粉体特性，可靠预测催化剂生产过程中新材料的性能，也无需投入实际工厂试验，更具体地说，确认新材料与现有材料的性能可比。这种评估在更换供应商或使用替代原料时十分关键，特别是选用价格较低的替代材料缩减成本。粉体测试仪器可以获得：• 剪切特性，包括壁面摩擦角，尤其是研究料斗性能，与连续粉体流动相关的料斗倾角和下料口尺寸；• 可压性和松装密度；• 动态特性包括基本流动能（bfe）和稳定性指数（si）用于评估粉体动态流动性。动态粉体性能通过测量桨叶旋转穿过样品时阻力和扭矩（图2）得到[5]。向下行径穿过预处理后的样品产生bfe值，这是一个高度灵敏的流动性参数，量化了低应力条件下受约束流动的行为。重复bfe测试还可以量化粉体的稳定性，结果为si，该值的定义是多次测试前后bfe值的比值。si接近于1说明粉体物理性能稳定；该值高于或低于1通常与分层、摩擦或团聚等现象有关，这些都可能导致性能变差。动态粉体特性图2.动态特性非常敏感，与不同工艺性能相关。这一测试可以确定粉料在投入工厂前，不同供应商或原料替代品的表现是否良好。粉体加工过程是否会发生间歇传输或堵塞，导致意外停机，从而影响生产效率。因此，能够在不中断工厂生产的情况下找出潜在问题是一大收获。公司现在定期参考上述指标筛选材料，同时全面分析新材料，增补原始数据库，逐步优化实践并扩展粉体测试仪器所提供的价值。强力工具设计和运行粉体处理设备，对工艺工程师来说是一场持久挑战，优化和测试替代设备仍然重要。幸运的是，理解不同工艺与原料之间的相容性，以及选用合适的粉体测试确定这一相关性，近年来已有长足进步。托普索公司的经验验证了粉体测试在催化剂生产中的可行性，其实相关工艺对于大多数生产部门也很常见。通过测量动态、剪切和整体性能，托普索公司强化了liw进料器选型的过程。基于粉体的可压性、透气性和粘结应力数据，为粉体传输确定了可靠的设计方案，确定选用经济型设备的条件。此外，现在公司也能无需工厂试验，可靠评估是否选用新料或更换供应商。粉体测试仪器都提供了关键的数据和丰厚的投资回报。参考文献1.“catalysts for optimal performance,” haldor topsøe, lyngby, denmark, viewable via: www.topsoe.com/products/catalysts2.mitchell, s., et al., “from powder to technical body: the undervalued science of catalyst scale-up,” chem. soc. rev. (feb. 2013).3.catalyst manufacturing center, rutgers university, homepage, https://cbe.rutgers.edu/catalyst-manufacturing-center.4.wang, y., et al., “predicting feeder performance based on material flow properties,” powder tech. (dec. 2016).5.freeman, r., “measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders — a comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell,” powder tech (oct. 2006).