粒度粒径测试原理课件

粒度测试 grain size，particle size 基本知识和基本方法 粒度 颗粒的大小称为“粒径”，又称为“粒度”或者“直 径”。 等效粒径 等效球体 粒度 颗粒的大小称为粒度。一般颗粒的 大小又以直径表示 , 故也称为粒径。用一定方法 反映出一系列不同粒径区间颗粒分别占试样总量 的百分比称为粒度分布。 等效粒径 由于实际颗粒的形状通常为非球 形的 , 难以直接用直径表示其大小 , 因此在颗粒 粒度测试领域 , 对非球形颗粒 , 通常以等效粒径 ( 一般简称粒径 ) 来表征颗粒的粒径。 等效粒径 是指当一个颗粒的某一物理特性 与同质球形颗粒相同或相近时 , 就用该球形颗粒 的直径代表这个实际颗粒的直径。 等效粒径的种类 及测试方法 等效体积径：即与所测颗粒具有相同体积的同质 球形颗粒的直径。激光法所测粒径一般认为是等 效体积径。 等效筛分径 ( 筛分法的粒径 ) 等效沉速径 ( 沉淀法的粒径 ) 等效投影面积径 ( 显微镜法的粒径 ) 等效体积径 ( 光学法的粒径 ) 。 需注意的是基于不同物理原理的各种测试方法 , 对等效粒径的定义不同 , 因此各种测试方法得到 的测量结果之间无直接的对比性。 总之，现有的所有的粒度测量手段 给出的粒径都是等效粒径。因此除了 球形颗粒以外，测试结果同仪器原理 有关，或者说同“等效”所参照的物理 参数或物理行为有关。 仪器原理不同，一般来说测试结果 是不同的。只有当颗粒是球形时，不 同原理仪器的结果才可能相同。 等效球体的意义 作为粒度标准的物质必须是球状的，以便 于各种方法之间的比较。 目前所说的粒度测试，测试结果均是用 等效球体来表示的。这是目前几乎所有粒 度测试仪器和方法的基本原理。 颗粒大小分级习惯术语 纳米颗粒 1-100 nm 亚微米颗粒 0.1-1 um 微粒、微粉 1-100 um 细粒、细粉 100-1000 um 粗粒 大于1 mm 粒度测试的目地 微小颗粒态物质在日常生活和工业生产 中有着很广泛的应用，尺寸的大小和分布 情况直接关系到工业流程，产品质量以及 能源消耗和生产过程的安全性。因此，准 确方便地测量微小颗粒的直径（粒径）并 得到粒径分布函数成为一个非常有意义的 课题。 粒度分布的表达 粒度分布的常用表达方法： 数量分布 体积分布 粒度测试中的典型数据 平均径： 表示颗粒平均大小的数据。有很多不同的平均值的算法，如D4 ，3等。根据不同的仪器所测量的粒度分布，平均粒径分、体积平均 径、面积平均径、长度平均径、数量平均径等。 D50： 也叫中位径或中值粒径，这是一个表示粒度大小的典型值，该 值准确地将总体划分为二等份，也就是说有50%的颗粒超过此值，有 50%的颗粒低于此值。如果一个样品的D50=5m，说明在组成该样 品的所有粒径的颗粒中，大于5m的颗粒占50，小于5m的颗粒也 占50。 最频粒径： 是频率分布曲线的最高点对应的粒径值。 D97：D97 一个样品的累计粒度分布数达到 97%时所对应的粒径。 它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占 97%。这是一个被广泛应用 的表示粉体粗端粒度指标的数据。 粒度仪主要性能指标 重复性 重复性是指同一个样品多次测量结果之间的偏 差，是衡量一台粒度测试仪或一种测试方法好坏的最重要 的指标。影响因素有仪器和方法、样品制备因素、环境因 素以及操作因素等。 准确性 由于粒度测试的特殊性，通常用真实性来表示准 确性的含义。由于粒度测试所测得的粒径为等效粒径，对 同一个颗粒，不同的等效方法可能会得到不同的等效粒径 。仪器对标准样的测量结果应在标称值允许的误差范围内 ；经粉碎后的样品应比粉碎前更细；经分级后的样品的粒 度分布将发生变化（比如大颗粒含量减少等）；结果与行 业标准或公认的方法一致等。 重复性比准确性更重要。 由于测量方法不同，同一个颗粒得 到了多个不同的结果。 粒度测试的基本方法 1，激光法 激光法是通过一台激光散射的方法来测 量悬浮液，乳液和粉末样品颗粒分布的多 用途仪器。纳米型和微米型激光料度仪还 可以通过安装的软件来分析颗粒的形状。 现在已经成为颗粒测试的主流. 激光法特点 优点 ：(1) 适用性广 , 既可测粉末状的颗粒 , 也可测悬浮液和乳浊 液中的颗粒 ; (2) 测试范围宽 , 国际标准 ISO 13320 - 1 Particle Size Analysis 2 LaserDiffractionMeth 2 ods 2 Part1: General Princip les 中规定激光衍射散射法的应用范围为 0 . 1 3 000 m; (3) 准确性 高 , 重复性好 ; (4) 测试速度快 ; (5) 可进行在线测量。在涂料工业中 该法也已得到了业内人士的认同 , 某些涂料及相关产品已制定了相应 的测试方法标准 , 如 , 国际标准 ISO 8310 13 Coating Powders 2 Part 13: Par 2 ticle Size Analysis by Laser Diffraction 和化工行业标 准 HG/T3744 云母珠光颜料。 缺点 ：不宜测量粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低。 激光法应用领域 应用领域包括制药，生物医药，纳米 材料等行业。典型样品：氧化铝/铜/金钢粉 、半导体、硅盐等无机材料，聚合物乳胶 、乳液、油漆、颜料、药物、甾体等有机 体。 激光法所用的理论 夫琅和费理论：当颗粒直径比入射波长大得多时发生衍射散射, 这时由夫琅禾费衍射理论求得的光强度和米氏散射理论求得的光强度 大体一致,但前者计算过程较简便,因此当D 时用夫琅禾费衍射理 论作为散射理论的近似处理。 米氏理论： 当颗粒粒径小于等于波长时，就必须使用米氏 理论了。 Mie理论是描述散射现象的严格理论，因此许多国外仪器和 部分国产仪器都把“采用全米氏理论”作为仪器的重要优点之一。所谓 全米氏理论，是指大颗粒（远远大于光波长，可见光波长范围为0.4 0.7m）和小颗粒（小于等于光波长）均采用米氏理论。 光子相关光谱分析法分析PCS 对超细颗粒 ( 如纳米材料 ) 采用 激光衍射散射式粒度仪已不能准确测量其粒径 , 应选用根据光子相关 光谱技术制备的仪器测量 ( 颗粒粒度在 1 nm 1 m) 。 激光散射技术分类 静态光散射法 （即时间平均散射）测量散射光的空间分 布规律. 采用米氏理论。测试的有效下限只能达到50纳米 ，对于更小的颗粒则无能为力。纳米颗粒测试必须采用“ 动态光散射”技术。 动态光散射 则研究散射光在某固定空间位置的强度随度 时间变化的规律。原理基于ISO 13321分析颗粒粒度标准 方法，即利用运动着的颗粒所产生的动态的散射光，通过 光子相关光谱分析法分析PCS颗粒粒径。 按仪器接受的散射信号可以分为衍射法、角散射法、全散 射法、光子相关光谱法,光子交叉相关光谱法（PCCS）等 。其中以激光为光源的激光衍射散射式粒度仪 ( 习惯上简 称此类仪器为激光粒度仪 ) 发展最为成熟 , 在颗粒测量技 术中已经得到了普遍的采用。 由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以一束 平行的激光在没有阻碍的无限空间中将会照射到无限远的地 方，并且在传播过程中很少有发散的现象。如图 7 所示。 粒子的布朗运动导致光强的波动 当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象。散射光的传播方向 将与主光束的传播方向形成一个夹角。颗粒越大，产生的散射光的角就越小 ；颗粒越小，产生的散射光的角就越大。散射光的强度代表该粒径颗粒的数 量。这样，在不同的角度上测量散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了 。 向前的散射 光束通过特殊的广角元件在检测器上 测量，在向前的方向（最低测量极限 0.1um），使用的这一设计大约能包含60 度范围内的散射角。 向后的散射 为了获得纳米级颗粒的散射光。必须 包含明显更大的角度范围。使用了向后的 散射光束，在60到180度的角度范围内作为 向后的散射面检测。使用这一设计测量的 最低下限为10nm. 在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜，在透镜的后焦平 面上放置一组多元光电探测器，这样不同角度的散射光通过富氏透镜 就会照射到多元光电探 头。将这些包含粒度分布信息的光信号转换 成电信号并传输到电脑中，通过专用软件用 Mie 散射理论对这些信号 进行处理，就会准确地得到所测试样品的粒度分布了。 激光粒度分析仪原理 湿法分散系统 通过机械搅拌、超声波分散和全内置 循环三种方式于一体，使样品充分分散， 提高样品测试的准确性 干法分散系统 通过气流分散使样品得到充分分散，提 高样品测试准确性。 激光衍射法又称小角度激光光散射法，应用了完全的米氏散射理论 。颗粒在激光束的照射下，散射角与颗粒直径成反比，散射光强与角度 的增加呈对数规律衰减。 激光粒度仪系统示意图。包括半导体激光器、多元光电探测器、光路系 统、电路系统、软件系统、循环分散系统等。 2. 沉降法 沉降法又分为：如沉降天平、光透沉降、离心沉降等。 斯托克斯Stokes 定律 根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方法 。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一 定浓度的悬浮液，悬浮液中 的颗粒在重力或离心力作用下将发生沉降。大颗粒的沉降速度较快，小颗粒 的沉降速度较慢。斯托克斯Stokes 定律是沉降法粒度测试的基本理论依据。 光子交叉相关光谱法（PCCS） 工作原理：光子交叉相关光谱法（PCCS） 从光源发出的两束频率相同、相位一致的激光束，在测试区域相 交，在两个检测器上得到两份相似的光强信号的涨落变化，两份 光强信号涨落变化相同的部分为颗粒的实际光强信号，而不相同 的部分则是干扰信号，被滤除。光电倍增管将相同的真实的颗粒 信号送给相关器处理，相关器将处理结果输送给计算机，得出最 后的测试报告。 光透原理Beel定律 要测量悬浮液中成千上万个颗粒的沉降速度是很困难的，所以 在实际应用过程中是通过测量不同时刻透过悬浮液光强的变化率来间 接地反映颗粒的沉降速度的。光强的变化率与粒径的关系由比尔定律 来描述 。用光透法测量沉降速度是目前比较流行的方法。 沉降法 优点 ：该法在涂料和陶瓷等工业中是一种传统的粉体粒径测试方法 。已制定的国际标准 ( ISO 3262 Extenders for Paint Specifications andMethods of Test) 对涂料中常用的 21 种体质颜料的粒度分布测试 方法 , 测试原理均基于沉降法。 缺点 ：测量速度慢，不能处理不同密度的混合物。结果受环境因素 （比如温度）和人为因素影响较大。 3 筛分法 按照被测试样的粒径大小及分布范围，将大小不同筛孔的筛子叠放在一起 进行筛分，收集各个筛子的筛余量，称量求得被测试样以重量计的颗粒粒径 分布。 优点 ：成本低，使用容易。 缺点 ：对小于目（u）的干粉很难测量。测量时间越长，得到的 结果就越小。不能测量射流或乳浊液；在测量针状样品时这会得到一些奇怪 的结果。难以给出详细的粒度分布；操作复杂，结果受人为因素影响较大； 所谓某某粉体多少目，是指用该目数的筛筛分后的筛余量小于某给定值。如 果不指明筛余量，“目”的含义是模糊的，给沟通带来不便。 P % 95 87 78 66 55 36 200g 10 16 18 24 22 38 72 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 筛分法原理图 筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)： 20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1 、0.075， 将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入 标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上 的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得 土的颗粒级配。 比重计法(也称密度计法) ：是沉降分析法 的一种，另外还有移液管法(也称吸管法)。 该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克 斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速 度与颗粒直径的平方成正比 4 显微镜法 测试时将试样涂在玻璃载片上 , 采用成 像法直接观察和测量颗粒的平面投影图像 , 从而测得颗粒的粒径。 能逐个测定颗粒的 投影面积，以确定颗粒的粒度，测定范围为 1500.4m，电子显微镜的测定下限粒度 可达0.001m或更小。显微镜法属于成像法 ，运用不同的当量表示。故而显微镜法的测 试结果与其他测量方法之间无直接的对比性 。 是一种最基本也是最实际的测量方法 , 常被用来作为对其他测量方法的校验和标定 。 但这类仪器价格昂贵 , 试样制备繁琐 , 测量时间长 , 若仅测试颗粒的粒径 , 一般不 采用此方法。但若既需要了解颗粒的大小还 需要了解颗粒的形状、结构状况以及表面形 貌时 , 该方法则是最佳的测试方法。 透射电镜，即透射电子显微镜 （Transmission Electron Microscope，简称TEM），通常 称作电子显微镜或电镜（EM） ，是使用最为广泛的一类电镜 。 5 超声粒度分析 超声波发生端（RF Generator）发出一定频率 和强度的超声波，经过测 试区域，到达信号接收端 （RF Detector）。当颗粒 通过测试区域时，由于不 同大小的颗粒对声波的吸 收程度不同，在接收端上 得到的声波的衰减程度也 就不一样，根据颗粒大小 同超声波强度衰减之间的 关系，得到颗粒的粒度分 布，同时还可测得体系的 固含量。 6, X射线小角散射法 射线的波长比纳米还要短，因此X射线小角散射是一种测量纳米颗粒 的理想方法 7，颗粒图像法 颗粒图像法有静态、动态两种测试方法。 静态方式使用改装的显微镜系统，配合高清晰摄像机，将颗粒样品的图像直观的 反映到电脑屏幕上，配合相关的计算机软件可进行颗粒大小、形状、整体分布等属性 的计算 动态方式具有形貌和粒径分布双重分析能力。重建了全新循环分散系统和软件数 据处理模块，解决了静态颗粒图像仪的制样繁琐、采样代表性差、颗粒粘连等缺陷 颗粒图像法 原理： 从频闪光源发出的频闪光，经过光束扩束器，得到平行的频闪光，在 测试区域频闪光照射在分散好的单个颗粒上，经过拥有专利的光学成像系 统，得到每个颗粒清晰的图像和全部样品的粒度分布。 8， 库尔特电阻法 库尔特电阻法在生物等领域得到广范应用已经成为磨料和某些行业的测试 标准.根据颗粒在电解液中通过某一小孔时，不同大小颗粒导致孔口部位电阻 的变化，由此颗粒的尺寸大小由电阻的变化加以表征和测定。可以测得颗粒 数量，因此又称库尔特计数器，测量精度较高，重复性好，但易出现孔口被 堵现象，通常范围在0.5100微米之间。 电阻法仪器都采用负压 虹吸方式,迫使样品通过宝石微 孔。小圆柱形宝石微孔内充满 介质形成恒定的液态体电阻( R0 ) ,当样品中有一个直径为d 圆球形标准粒子通过宝石微孔 的瞬间,由于微粒的电阻率大于 介质的电阻,就产生电阻增量 R ,根据库尔特公式因此电阻 法传感器输出电压脉冲也与微 粒的体积成正比。 优点：（1） 分辨率高：能分辨各颗粒之间粒径的细 微差别。分辨率是现有各种粒度仪器中最高的。（2） 测 量速度快：测一个样品一般只需15Sec左右。（3） 重复 性较好：一次要测量1万个左右的颗粒，代表性较好，测 量重复性较高。（4） 操作简便：整个测量过程基本上自 动完成，操作简便。 缺点：(1)动态范围较小：对同一个小孔管来说，能测 量的最大和最小颗粒之比约为20：1。(2)容易发生堵孔故 障。虽然新型的计数器具有自动排堵功能，毕竟影响了测 量的顺畅。 （3）测量下限不够小：现实中能用的小孔 管最小孔径为60m左右，因而测量下限为1.2m左右。 粒度测试的几个实际问题 1，测试结果差别产生的原因 同一个样品，不同的厂家往往测出不同的结果,是一个普遍现象。 原因有：第一，仪器原理不同。不同原理的仪器所测出的等效粒径不同，所 以测试结果不同。第二，不同厂家生产的仪器，即使是同类的仪器，由于设 计方法、加工精度、数据处理等方面的不同，所得到的结果也往往存在差异 。第三，使用方法不当。比如激光粒度仪需要选择适当的折射率；对分档的 仪器要选择适合所测样品分布的档等。第四，样品制备方法不当。 2, 对策 首先，不同原理的仪器的测试结果不同是正常的，这主要是因为颗 粒是非球形的，而不同原理的仪器所测的是颗粒的不同的侧面，所以会得到 不同的测试结果。所得到的结果都是正确的。这时双方应先统一测试条件， 通过测试找出一个差值。经过双方测试合格的样品应作为工作标样各自保