粉体粒度测定及表征

粉体性能测定及表征目录单个颗粒尺寸的表示方法颗粒的形状粉体的粒度分布颗粒粒度的测量粒度测试的取样方法粒度测试是用对少量样品的测试结果来代表大量粉体粒度分布的，因此取样的唯一要求是保证所测的样品具有充分的代表性，否则不仅将得到错误的结果，还将对接下来的工作产生误导，带来严重后果。取样的要点：尽量在粉体流动过程中取样；多点取样；均匀取样。由现场取实验室样品：

在粉体生产厂家的生产现场取样

需要在粉体出口处用专门的取样工具或平底容器截断料流取样，取样量为20-50克。尽量不要在装袋后取样，如果不得不在装袋后取样，应多点取样。应用粉体的厂家原料入厂取样

对入厂的粉体材料取样时，要用取样器取样，多点（至少3点）取样，每点的深度一般不小于30cm，取样总量约100克左右。将样品装到一个瓶子（或别的容器里）盖好，到实验室后应先剧烈摇动搅拌20次，然后用小勺取样测试。由实验室样品取测试样品多点取样法：用小勺从实验室样品（容器可能是瓶、袋等）中直接取测试样品，取样时应从不同位置多点（至少四点）取样，以保证代表性。而不是一次从一个位置取较多量的样品。悬浮液取样法：一般要用100或200ml的烧杯，悬浮液的量为容器容积的三分之二，用搅拌器搅拌均匀，在搅拌过程中用专用悬浮液取样器（用注射器改制）抽取。悬浮液取样时要十分警惕沉淀所造成的取样误差。悬浮液取样法膏状物取样法：

对宽分布样品或密度大的样品，先取较多的量（10-20克）到烧杯中，加少量介质调成膏状物，混合均匀，然后用小勺从中取适量加到仪器中。粉体工程制样的步骤

包括：破碎、过筛、混均、缩分。常用的缩分方法，采用圆锥四分法进行缩分。即将样品置于洁净、平整板面(聚乙烯板、木板等)上，堆成圆锥形，将圆锥尖顶压平，用十字分样板自上压下，分成四等分，保留任意对角的两等分，重复上述操作至达到所需分析试样的最小质量。

1．筛分析法

筛分是让粉体通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分级成若干个粒级，再分别测量，求得以质量分数表示的粒度分布。粒度测量方法套筛粒度测量方法

国际标准筛制：Tyler(泰勒)标准

目数：筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数

(a，d单位mm)25.4ad

如：200目的筛，网丝直径为0.053mm，筛孔尺寸为0.074mm。图2-15筛网尺寸标准筛系列：324248606580100115150170200270325400

其中最细的是400目，孔径是38μm。（40μm~100mm），微孔筛（可至5μm，甚至更小）筛分的优缺点优点统计量大,代表性强便宜原理简单、直观，操作方便，易于实现缺点下限38微米；人为因素影响大；重复性差；筛分过程振动强烈，某些颗粒极易破损，影响粒度分布；速度慢。粒度测量方法

基本工作原理：将显微镜放大后的颗粒图像通过CCD摄像头和图形采集卡传输到计算机中，由计算机对这些图像进行边缘识别等处理，计算出每个颗粒的投影的各种粒径，再统计出所设定的粒径区间的颗粒数量，就可以得到粒度分布。2．显微镜法粒度测量方法光学显微镜：分辨率：0.2μm，用于0.2~200μm

颗粒的测量。透射电子显微镜：分辨率可达0.3~0.5nm，测量范围：0.001——5μm扫描电子显微镜：分辨率可达3.0nm，测量范围：0.005~50μm。显微镜测量的样品量极少，取样和制样时，保证样品有充分的代表性和良好的分散性。粒度测量方法A样品制备

四分法取样：

将0.5克左右的颗粒物质放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约0.01克为止。制样：取分割好的样品置于玻璃片上，滴加分散介质，用盖玻片搓动，当分散介质完全挥发后，即可观测。

粒度测量方法B粒度测量

显微镜法测量的是颗粒的表观粒度，即颗粒的投影尺寸。对称性好的球状颗粒（如雾化粉）或立方体颗粒可直接按长度计量。对于非球状的不规则颗粒，这种直接计量是不可能的，颗粒的“尺寸”必须考虑到颗粒形状，有不同的表示方法。下图是显微镜法常用的两种颗粒“尺寸”的表示方法。显微镜法显微镜法垂直投影法线形切割法显微镜下常用的粒度尺寸表示方法

目镜中插入目镜测微尺，其上刻有一定标尺或不同大小直径圆的刻度片。采用定向径方法测量粒度测量方法显微镜方法的优缺点优点可直接观察粒子形状可直接观察粒子团聚光学显微镜便宜缺点代表性差重复性差测量投影面积直径速度慢显微镜法

当光线通过不均匀介质时，会发生偏离其直线传播方向的散射现象，散射光形式中包含有散射体大小、形状、结构以及成分、组成和浓度等信息。因此，利用光散射技术可以测量颗粒群的浓度分布与折射率大小，还可以测量颗粒群的尺寸分布。激光粒度仪的原理激光法3.激光法

激光法粒度仪应用的理论：夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论：颗粒直径远大于入射波长（即用于几个微米至几百微米），或对一些较小的不透明的或相对于悬浮介质有一个较高的折射率的颗粒的测量。米氏(Mie)散射理论：几个微米以下的测量。

光的衍射是光波在传播过程中遇到障碍物后，偏离其原来的传播方向弯入障碍物的几何影区内，并在障碍物后的观察屏上呈现光强分布的不均匀现象（不存在颗粒时，在衍射场中得到一集中光斑，存在时，衍射图样由中心的亮斑和由中心向外一圈一圈越来越弱的亮环组成）。光源和观察屏距离衍射物都相当于无限远时的衍射即Fraunhofer衍射，其衍射场可在透镜的后焦面上观察到。激光法夫琅霍夫衍射

光束遇到颗粒阻挡发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是由大颗粒引起的；大角度(θ1)的散射光是由小颗粒引起的，如图所示。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布。

米氏散射理论激光法激光法不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光

激光衍射

0.05—500μmX光小角衍射

0.002—0.1μm激光法激光粒度仪测试简图性能特点测量的动态范围大，激光粒度可以超过1:1000；测量速度快（需1min）；重复性好，重复精度很高；操作方便，不受环境温度影响（相对于沉降仪），不存在堵孔问题（相对库尔特计数器）；分辨率较低，不宜测粒度分布过窄的样品的粒度，如磨料微粉；对于几微米的试样，误差较大。激光法消光法：通过测量经颗粒群散射和吸收后，光强度在入射方向上的衰减来确定粒度。如图所示来自光源S，波长为λ，强度是I0的单色光，经聚光透镜L1、光阑B1和准直透镜L2成为一束平行光，穿过在气体或液体中分散的颗粒群，再经透镜L3和光阑B2最后被光电探测器接收。4.消光法激光法根据Lalnbert一Beer定律或消光度(光密度)式中，I为透光强度;I。为空白透光强度;l为光束通过样品的区域厚度；n为颗粒个数;a为颗粒的迎光面积；k为颗粒的消光系数，它与颗粒相对于介质的折射率m和尺寸参数a有关.

对于粒度相等直径为D的球形颗粒，若浓度(单位体积中的颗粒总重)为C，则上式可写成激光法快速、通过光电转换实现测量容易；数据处理自动化；粒度测量范围很广，约为2nm~2mm。光散射法和消光法粒度测量的优点：激光法

由于为非接触测量，故特别适合于对气溶胶作在线测量。如云雾水滴、燃料喷射中的液滴或煤粉、大气粉尘、洁净室中的尘粒。也适用于溶液中分散系，例如检测净化水、乳化燃料中的颗粒。若测试对象为粉末，则需制备成分散良好的以液体或气体为介质的分散体系。应用激光法5.电传感法电传感法原理：电传感法是将被测颗粒分散在导电的电解质溶液中。在该导电液中置一开有小孔的隔板，并将两个电极分别于小孔两侧插入导电液中。在压差作用下，颗粒随导电液逐个地通过小孔。每个颗粒通过小孔时产生的电阻变化表现为电压脉冲，这个电压脉冲与颗粒体积或直径成正比。电传感法图2-22对于球形颗粒悬浮液的电阻变化△R可写成如下关系式

式中ρL为液体电阻率；A为小孔截面积，V为颗粒体积；K是与1相差不大的系数；f(d/D0)是一个收敛级数的展开式。当d/D0足够小即粒径与孔道直径足够小，f(d/D0)趋于1。因此，对于球形颗粒来说，可认为与颗粒体积即d3成正比。电传感法仪器对脉冲按其大小归档(颗粒体积或粒度的间隔)，进行计数，因此可以给出颗粒体积或粒度(体积直径)的个数分布。同时，也可给出单位体积导电液中的总粒数和各档大小的粒数。电传感法库伦特计数器特点通常测量范围约为0.5~1000μm。测量快速，每分钟可计数数万个颗粒，需样少，再现性较好。应用于血球的计数、固体颗粒以及乳状液中液滴等粒度测量。电传感法6.沉降法

沉降法粒度测试技术是指通过颗粒在液体中沉降速度来测量粒度分布的仪器和方法。主要分重力沉降式和离心沉降式光透沉降粒度仪。沉降原理：在具有一定粘度的粉末悬浊液内，液体中的颗粒在重力或离心力等的作用下开始沉降，颗粒的沉降速度与颗粒的大小有关，大颗粒的沉降速度快，小颗粒的沉降速度慢，根据颗粒的沉降速度不同来测量颗粒的大小和粒度分布。沉降法颗粒的沉降速度不同来测量颗粒的大小和粒度分布

固体颗粒在流体介质中，因重力作用而沉降，颗粒的沉降符合斯托克斯（Stokes）沉降原理。

球形颗粒沉降时的重力为：流体的粘滞阻力为：Stokes阻力公式沉降法重力沉降原理当G=F时，若以直径d表示（d=2r）：Stokes沉降公式

沉降法Stokes定律表达了在层流条件沉降速度与粒径的关系，适用于雷诺数很小的流动状态（Re<1）。

同一物料在同一流体介质中沉降时，若颗粒大小不等，则其沉降速度也不相等。沉降法离心沉降原理最终沉降速度与颗粒直径的关系式：式中，ω：离心机转速（以每秒弧度）。

离心沉降法可以加快细颗粒的沉降速度，从而缩短测量时间，提高测量精度。沉降法根据测试方式的不同，沉降法又可分为比重计沉降法和光透沉降法。（1）比重计沉降法在层流区中,当颗粒达到最大速度时，设沉降时间为T,沉降距离为L,则有L=VmaxT,代入Stokes沉降公式，则:由比重计在T时刻的读数即可查得比重计浮泡形心位置距悬浮液表面的距离，即为颗粒的有效沉降距离L。用上式可计算出粒径D。同时从比重计读数所表示的单位体积悬浮液中粒径小于和等于D的颗粒重量，可计算出小于和等于粒径D的重量百分比。该方法是利用光透沉降粒度仪来测定颗粒尺寸和粒度分布。该仪器是在Stokes定律的基础上，应用Beer定律测定某一沉降时刻透过悬浮液光强度与对应粒径和该颗粒数的关系，最后求出分布曲线。(2)光透沉降法光透沉降法又称浊度沉降法或消光沉降法入射光I0透射光I，I<I0

入射光的衰减程度或消光值I/I0与颗粒的大小和浓度有关

测定消光值随时间的变化，即可从中求得试样的粒径分布。DD’CC’BB’AA’光透沉降法原理示意图DD’CC’BB’AA’

固定在DD’处测光强随时间的变化；经过一定时间后，同时测量图中四处光强的变化。

以DD’处测量光强为例。设沉降开始时，粉末悬浮液处于均匀状态。沉降初期，光束所处平面颗粒动态平衡，即离开该平面的颗粒数与上层沉降到此的颗粒数相同。当悬浊液中存在的最大颗粒平面穿过光束平面后，该平面上不再有相同大小的颗粒来代替，这个平面的浓度也开始随之减少。因此在t时刻高度h的DD’处只含有小于斯托克斯直径的颗粒。光透过量和粒径的关系符合朗玻比尔定律：

K0：常数；c：悬浊液的颗粒浓度ki：吸光系数；ni：粒径为di的颗粒个数;I0：入射光强;Ii：透过悬浮液光强;

：形状系数。

随着时间的推移，从大颗粒开始按Dn,Dn-1，…，D1依次从该处消失。在Dn，Dn-1,…，D1分别消失时刻对应的透过光量为In-1,In-2,…,I0,当粒径Dn完全消失时这就是按平均粒径所表示的体积分布或质量分布。7.透气法

根据透过介质的不同，分为气体透过法和液体透过法，后者适用于粗粉末或空隙比较大的多孔性固体，在粉体测定中很少用。气体透过法是测定气体透过粉末层的透过率来计算粉末比表面积或平均粒径的，测定的粒径是一种当量径，即比表面平均径。

透过原理：流体透过粉末床的透过率或所受的阻力与粉末的粗细或比表面的大小有关。当气路中的气体流动时，气体将从颗粒的缝隙中穿过。粉体越细，表面积越大，对流体的阻力也越大，使单位时间内透过单位面积的流体量越小。即当粉体床的孔隙度不变时，流体通过粗粉末比通过细粉末的流速大。透过率或流速容易测量，只要找出它们与粉体比表面的定量关系，便可知道粉体的比表面积。

上式为柯青——卡门方程。适用于常压液体或气体透过粗颗粒粉体床。透过法测量比表面积的基本公式上式中A和P在实验中不变，L由粉体层孔隙度决定，当孔隙度不变时，仅有P’和P-P’变化。平均径的计算公式为：空气透过法透过法的特点取样较多，有代表性，结果的重现性好；反映的是粉体的外比表面积，代表单颗粒或由单个颗粒聚合的二次颗粒的粒径；与BET法联合使用，能判断粉体的聚集程度、决定二次颗粒中一次颗粒的数量。基本原理

固体与气体接触时，气体分子碰撞固体并可在固体表面停留一定的时间，这种现象称为吸附。固体为吸附剂，气体为吸附质。根据固体表面的吸附力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。8.气体吸附法图2-261）Langmuir理论（朗格穆尔）单分子层吸附理论

如果在压力p时，被吸附气体的容积是V，形成单分子层所需要气体的容积是Vm,则吸附分子所覆盖的表面分数

为：吸附系数以p/V对p作图，直线的斜率为1/Vm，截距为1/bVm，可得单分子层容积Vm。为了从Vm求出表面积，必须知道一个分子所占据的面积Am，即吸附质分子的截面积。可以从单分子层容积计算表面积：NA——阿伏伽德罗常数（6.022×1023）；MV——摩尔分子体积，其值为22410cm3/mol；Am——吸附质分子的截面积。

若采用N2作吸附质，在77K（-195

C）时，1个氮分子的截面积（即在吸附剂表面所占有的面积）为0.162nm2。则固体吸附剂的表面积为

只要测出固体吸附剂(粉末试样)质量WS，就可计算粉体试样的比表面积Sw

最常用的是BET公式，它描述了一定状态下吸附总量与单层吸附量的关系。

2）BET吸附理论图2-27BET方程式

p——吸附平衡时吸附质气体的压力p0——吸附平衡温度下吸附质的饱和蒸气压V——相对压力p0/p时气体吸附质的吸附量Vm——单分子层饱和吸附量C——与温度、吸附热和催化热有关的常数~作图，得到一直线，其斜率a和截距b为则单分子层饱和吸附量（Vm）为粒度测量方法方法大致粒度范围(μm)测量依据的性质或效应表达的粒度直接得的分布筛分析（微目筛）>40(5~40)筛孔d筛质量(体积)光学显微镜0.25~250通常是颗粒投影像的某种尺寸或某种相当尺寸da，dF，dM等个数电子显微镜0.001~5全息照相2~500激光：光散射、消光、X光小角度散射0.002~2000.005~0.1颗粒对光的散射或消光（因散射或吸收）颗粒对X光的散射同效应的球直径质量(体积)或个数重力沉降2~100沉降效应：沉积量、悬浮液的浓度、密度或消光等随时间或位置的变化同沉降速度的球直径，在层流区即dst质量（体积）离心沉降0.01~10电传感法0.4~800颗粒在小孔电阻传感区引起的电阻变化体积直径dv，但常为同效应的球直径个数气体透过2~500.05~2<10床层中颗粒表面对气流的阻力气体分子在颗粒表面的吸附/常压粘滞流常压滑动流气体吸附测量方法的选择1.宜根据数据的应用场合来选择。例如，对于气相反应的催化剂，需要的是比表面积，应该是气体吸附法测量的比表面积。对于水泥而言，因其水化凝结性质与颗粒内孔的关系不大，故宜用空气透过法而不用气体吸附法测量比表面积。2.根据所测样品的粒度范围，参考表初步选择适合的方法。所测样品的粒度范围，往往可预先用显微镜法大致观察确定之，表中所列粒度范围的数值也是大致的。3.根据被测粉体的存在形式选择。根据取样的难易程度、分散的难易程度以及可取得的样品量等来考虑相应适宜的方法。对气溶胶和两相流中的颗粒，或处于动态过程如正在结晶长大或因溶解正在减少的颗粒，常要求快速、实时，在线测量，此时常用光散射法、消光法及全息照相。4.根据粒度测量的精度要求进行选择。一般而言，常规测量往往要求快速简便，并尽可能自动化，对精度要求不高。5.根据样品量选择。6.根据粒度测量所需要的时间选择。7.根据设备投资和分析费选择。重复性

重复性是指同一个样品，在相同条件下，用同一台仪器，由同一个人在短时间内连续进行粒度测试，每次的测试结果与平均值之间的偏差。激光粒度仪国际标准ISO13320：2009规定，激光粒度测试重复性误差由D10、D50、D90来描述，其允许误差分别是5%、3%、5%。

影响重复性的因素

分散：要超声波分散3-5分钟，同时加分散剂并启动搅拌。超细样品超声波分散时间还要延长至10分钟。介质：要选用对样品没有溶解、膨胀等作用等作用的介质。介质通常是水，其次是乙醇。如果找不到合适的介质，就应选择干法进行粒度测试。仪器：仪器的光源、信号传输系统、软件参数设定、数据处理方法、样品池洁净程度、对中状态等等会对重复性产生影响。要保证仪器是良好的状态。环境：湿度过大造成测试窗结雾，周围有电磁干扰源、振动源，光源直射、仪器接地状态、电压稳定性等，都会影响仪器的重复性。样品：样品的不稳定，也可能影响粒度测试的重复性。充分分散及验证方法分散是影响粒度测试重复性的第一因素，因此每次测试前都要保证样品分散充分。分散是介质、分散剂、搅拌和超声波分散同时作用的结果，分散剂一般是焦磷酸钠或六偏磷酸钠，它与介质之间的浓度为0.2%-0.5%。搅拌和超声波要同时开启，可边分散边测试，观察遮光率或粒度结果，如果遮光率和结果稳定了，说明该样品已经分散充分了，可以正式进行粒度测试了。

介质湿法粒度测试的介质通常是纯净水、无水乙醇或其它溶剂等。要求介质与样品之间不发生物理（溶解或膨胀）或化学（反应）变化。需要用有机溶剂时，要用分析纯级的，低纯度的有机溶剂里含有少量的水，会对重复性有影响。