ISO 13318-12024 离心液体沉降法测定粒度分布第1部分一般原则、要求和指南标准立项发展报告

离心液体沉降法测定粒度分布第1部分：一般原则、要求和指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Determinationofparticlesizedistributionbycentrifugalliquidsedimentationmethods—Part1:Generalprinciples,requirementsandguidance摘要粒度分布是表征粉体材料、胶体体系及悬浮液体系物理化学性质的关键参数，广泛涉及制药、涂料、电池材料、陶瓷、化妆品及食品等众多工业领域。离心液体沉降法作为粒度分析的重要技术手段，能够有效测定亚微米至微米级颗粒的尺寸分布，弥补了激光衍射法在细颗粒端分辨率不足的局限。随着纳米材料和功能性粉体产业的快速发展，市场对离心沉降法测试的标准化需求日益迫切。本报告围绕国际标准ISO13318-1:2024《离心液体沉降法测定粒度分布第1部分：一般原则、要求和指南》的立项背景、技术内容、修订历程及行业应用价值进行系统分析。该标准由国际标准化组织ISO/TC24/SC4（粒度分析与筛分技术委员会）归口管理，现行版本替代了ISO13318-1:2001，在保持原有框架的基础上，充分吸纳了近年来在离心沉降理论模型、仪器校准方法及数据处理技术方面取得的最新成果，进一步明确了方法适用范围、测试条件选择和结果表达的技术要求。本报告认为，该标准的发布实施将为相关行业提供更加科学、规范、可比的粒度测试技术依据，对提升产品质量控制水平、促进国际贸易技术互认具有重要意义。关键词：粒度分布；离心液体沉降法；ISO13318-1；标准化；颗粒表征；沉降分析Keywords:particlesizedistribution;centrifugalliquidsedimentation;ISO13318-1;standardization;particlecharacterization;sedimentationanalysis1引言1.1标准立项背景颗粒材料的粒度分布直接影响产品的物理化学性能，如药物制剂的溶出速率与生物利用度、涂料的遮盖力与流变性、电池材料的电化学活性等。因此，准确、可靠的粒度测量方法对于科研开发、生产过程控制及质量保证体系均具有至关重要的作用。在众多粒度分析方法中，沉降法是最经典的技术路线之一，其基本原理是依据颗粒在分散介质中的沉降行为反推颗粒尺寸。然而，重力沉降仅适用于数微米至数百微米范围内的颗粒测定，对于亚微米级及纳米级颗粒，重力作用不足以克服布朗运动的影响，需要借助离心力场加速沉降过程。离心液体沉降法（CentrifugalLiquidSedimentation,CLS）通过离心机产生的离心力场显著增强颗粒的沉降驱动力，从而使粒径在0.01μm至数十微米范围内的颗粒得以有效分离和测定。该方法具有分辨率高、重复性好、可精确测定宽分布样品的优势，在纳米材料表征领域尤其受到重视。然而，由于方法涉及复杂的理论模型和多样化的仪器配置，国际范围内亟需统一的规范化技术文件指导检测实践。1.2标准体系定位与分析在国际标准体系中，ISO13318系列标准由国际标准化组织ISO/TC24/SC4（粒度分析与筛分技术委员会）负责制定，专门针对离心液体沉降法测定粒度分布的技术规范。该系列标准目前包括以下部分：-ISO13318-1:2024：一般原则、要求和指南；-ISO13318-2:2007：光盘离心法；-ISO13318-3:2004：X射线重力法。其中，第1部分作为系列标准的基础性文件，规定了方法的一般性原则和通用要求，为第2部分和第3部分所涉及的具体技术实现方案提供统一的理论框架和术语体系。本次修订发布的ISO13318-1:2024版本是该标准的第二次修订版，首次发布于2001年。相较于原版，2024版在技术内容上进行了系统更新，以适应近年来粒度分析仪器技术和数据处理方法的长足进步。2标准技术内容概述2.1标准适用范围ISO13318-1:2024规定了利用离心液体沉降法测定悬浮于液体中颗粒粒度分布的一般原则、基本要求和操作指南。该标准适用于粒径范围为0.01μm至10μm（依据仪器配置和样品特性的不同，适用范围可有所扩展）的颗粒体系，涵盖均一密度和不均一密度的颗粒材料。标准明确指出，方法适用于能够形成稳定悬浮液的颗粒-液体体系，要求颗粒在分散介质中不发生显著的溶解或溶胀，且颗粒密度与分散介质密度存在足够差异以保证有效沉降。2.2方法原理与理论框架标准在方法原理部分系统阐述了一个关键的理论问题：颗粒在离心力场中的沉降速度不仅取决于颗粒尺寸和密度，还受重力场贡献的影响。标准给出了一个重要的修正公式——在离心沉降理论模型中，必须同时考虑离心加速度与重力加速度对颗粒沉降的叠加效应，即：$$a_c=\omega^2r$$在实际计算中，有效沉降加速度$G$由离心加速度与重力贡献构成，标准给出了精确的数学表达式：$$G=\omega^2x\pmg$$式中，$\omega$为角速度，$x$为颗粒距旋转中心的径向距离，$g$为重力加速度，正负号的选取取决于离心力与重力方向的关系。这一修正对于低速离心或大直径离心转盘条件下的准确测定尤为重要。标准同时指出，当离心转速足够高时，重力项可以忽略不计，但需要在方法验证中予以确认。标准基于Stokes沉降定律推导了离心力场中颗粒尺寸与沉降时间、沉降距离之间的定量关系，明确了均质模式（homogeneousmode）和沉降线起始模式（line-startmode）两种基本操作方式的适用范围和选择依据。均质模式下，颗粒均匀分布于整个分散介质中，在整个离心过程中持续发生沉降，浓度监测信号反映了悬浮液中剩余颗粒的累积信息；沉降线起始模式下，颗粒初始位于液面附近的薄层中，在离心力作用下以清晰前沿向下沉降，浓度监测反映不同时刻到达检测区的颗粒比例。两种模式各有优劣：均质模式操作简便，适用于宽分布样品；沉降线起始模式分辨率更高，更适用于窄分布和高精度测量场景。2.3粒度分布计算的数据处理模型标准在数据处理方面给出了区分质量分布与数量分布的两种计算模型。基于消光法检测原理时，原始信号为光强衰减信息，需要通过消光理论将光强信号转化为颗粒浓度信息。标准明确规定：在应用比尔-朗伯定律进行消光信号换算时，需要对颗粒的光学性质（折射率、吸收系数）对测量结果的影响进行评估，因为消光系数（即消光效率因子）与粒径、入射光波长及颗粒-介质折射率匹配程度均有依赖关系。标准指出，当粒径范围为0.01μm至1μm时，消光系数的粒径依赖性不可忽略，需要引入Mie理论进行严格计算。标准还详细规定了粒度分布计算前的必要修正步骤，包括背景校正、基线确定、数据平滑参数选择等，并对测量结果的表达给出了规范性要求。粒度分布应以适当的形式（微分分布、累积分布）和单位（体积分布、数量分布、表面积分布，以及对应的分数表示法）予以报告，并明确指出采用不同计算方法得到的分布类型之间的差异应如实注明。2.4仪器设备要求标准对离心液体沉降法所用仪器的关键部件提出了明确技术要求，涵盖离心转盘（或离心管）的几何参数、转速稳定性和精度、检测系统的灵敏度与线性范围、温度控制精度等核心参数。标准要求转速设定误差应在±1%以内，温度控制精度应达±1℃，检测系统应具备足够的动态响应范围以适应不同浓度样品的测量需求。此外，标准对校准和验证程序提出了明确规定，推荐使用具有已知粒度分布的标准参考物质定期对仪器进行校准验证，校准周期取决于仪器使用频率和运行状态。特别地，标准要求仪器在使用前必须检查沉降距离设置的准确性，并在方法验证记录中保留完整的校准溯源链信息。2.5样品制备样品制备是影响粒度测量结果的关键环节，标准在该部分进行了系统规范。标准要求：-分散介质的选择应综合考虑颗粒的化学稳定性、分散剂与颗粒表面的相互作用、介质的密度和粘度等因素。对于水敏感材料，应选用非水性分散介质。-分散剂（表面活性剂、高分子分散剂或聚电解质）的选用应通过系统试验确定最适种类和浓度，以保证颗粒充分分散且不发生团聚。-超声分散是常用的辅助分散手段，但超声功率、作用时间需根据样品的硬度、脆性和表面特性进行优化，避免过度超声导致颗粒破碎或产生空蚀效应。-对于需要测定原始团聚体粒径分布的样品（如浆料、悬浮液产品），应避免施加可能改变原始分散状态的强分散处理。2.6结果报告与不确定度评估标准对测量结果的报告内容提出了规范性要求，报告应至少包含：样品信息（来源、批次、组成）、分散条件（介质、分散剂种类和浓度、分散方式）、测量条件（转速、温度、沉降模式、检测方式）、数据处理方法（分布类型、光学参数选择）、测量结果（粒度分布曲线、特征粒径D10、D50、D90等）以及不确定度评估信息。标准强调测量不确定度应依据ISO/IEC指南98-3（即GUM指南）进行系统评估，来源包括样品制备、仪器漂移、数据处理和操作人员等各个层面。3标准修订背景与主要变化3.1修订背景ISO13318-1:2001自发布以来已服役逾二十年。期间，粒度分析仪器在检测灵敏度、自动化程度和数据处理能力方面均实现了跨越式发展，纳米材料和功能性粉体产业对粒度测试精度和可重复性的要求不断提高。原有标准条款中的部分技术表述已难以完全适应当前仪器设备的技术水平，同时，在光学模型应用、不确定度评估以及样品制备方法等环节也积累了丰富的实践经验，亟需通过修订予以制度化。2024版标准的修订工作由ISO/TC24/SC4技术委员会组织推进，修订过程中共收到来自各成员国的技术建议案二十余项，涵盖术语定义、公式修正、校准方法更新等多个方面的内容。修订稿经过多轮讨论和投票协商，最终于2024年正式发布。3.2主要技术变化相较于2001年版，ISO13318-1:2024在以下关键方面进行了实质性的技术调整和内容完善：（1）术语和定义的更新。新增了部分仪器相关术语（如"均质模式"、"沉降线起始模式"、"检测区间"等）的精确定义，对原有术语中的模糊表述进行了澄清，并将术语体系与ISO9276系列（粒度分布表示与数据处理）标准进行了协调统一。（2）离心沉降理论公式的修正与补充。修订了离心力场中颗粒沉降速度和粒径计算的公式表述，新版本在原公式的基础上引入了重力加速度修正项，使得计算模型在低转速和大转盘直径条件下的适用性显著增强。这一修正在过去多个实验室间比对研究中被反复验证，被认为是提高数据可比性的关键改进之一。（3）仪器校准要求的强化。新版标准明确要求使用经认证的标准颗粒参考物质对仪器进行定期校准，并要求校准记录具备可追溯性（溯源至国际单位制SI或国家计量标准），这一要求与ISO17025检测和校准实验室能力认可准则的相关条款保持一致性。（4）数据处理和计算模型的细化。针对消光法检测中的光学效应问题，新版标准增加了关于Mie理论适用性和消光效率因子修正的详细说明，并给出不同粒径区间下选择合适光学模型的操作性建议，有助于减少因光学近似处理引入的系统误差。（5）不确定度评估的系统化。新增了测量不确定度评估的独立条款，给出了不确定度来源的识别方法和合成程序，并推荐了可行的简化和简化计算方法。4主要参与制定单位介绍ISO13318-1:2024由国际标准化组织ISO/TC24/SC4"粒度分析与筛分技术委员会"组织制定。该技术委员会是国际粒度表征领域最具权威性的标准化技术组织，秘书处由德国标准化协会（DIN）承担。SC4委员会汇集了来自全球三十余个成员国（包括中国、美国、英国、法国、日本、德国、瑞士等）的粒度分析领域专家学者和仪器制造企业代表。值得特别介绍的是德国联邦材料研究与测试研究所（BAM，BundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung）在本次标准修订中发挥了重要的技术牵头作用。BAM是德国联邦经济事务和能源部下属的权威材料科学技术机构，成立于1871年，具有逾150年的材料测试与标准化研究历史。在粒度分析领域，BAM长期承担着欧洲乃至全球范围内粒度标准物质研制与量值溯源的职能。BAM在ISO13318-1:2024的修订过程中主要负责了理论模型验证、标准物质比对测试以及文本草案的技术审校工作。BAM的研究团队通过组织多项国际比对实验，系统验证了修订后计算公式在不同仪器条件下的适用性，为标准中粒度计算模型的修正和确认提供了关键实验数据支持。此外，BAM还主导起草了标准中关于校准用标准颗粒物质的选择指南和不确定度评估建议条款，为该标准在实践层面的可操作性提供了坚实保障。在我国，全国颗粒表征与筛分标准化技术委员会（SAC/TC168）持续跟踪ISO13318系列标准的制定动态，并组织国内粒度分析领域专家参与标准修订的投票和意见反馈工作。中国计量科学研究院（NIM）等单位从技术层面对修订内容进行了深入研究，为我国在采用该国际标准时提供了计量技术储备。5标准应用价值与展望5.1产业应用价值ISO13318-1:2024的发布实施对于多个高技术领域的粒度测试和质量控制具有重要的指导意义。在纳米材料领域，该标准为纳米颗粒的尺寸分布表征提供了与国际接轨的技术依据；在药物研发领域，标准可为注射剂中亚可见微粒的检测和评价提供方法参考，应用前景广阔；在先进陶瓷和粉末冶金领域，标准为原料粉末的质量评价和工艺过程控制建立了统一的技术标尺。离心液体沉降法相较于其他粒度分析方法具有独特优势。在测量精度方面，其基于物理沉降原理，不依赖颗粒折射率等光学参数，对无规形状颗粒的等效球径测量具有较高可靠性。在分辨率方面，该方法对亚微米和纳米颗粒的区分能力优于传统激光衍射法，能够分辨相差10%至20%粒径的相邻峰。在实际应用层面，该方法可作为激光衍射法的重要验证手段，通过两种独立原理方法间的比对，更有效地发现和排除粒度测量中的系统误差。5.2未来发展趋势展望未来，随着纳米技术、生物医药和新能源材料等领域的持续发展，对高分辨率粒度表征技术的需求将进一步增长。离心液体沉降法在上述领域的应用深度和广度均有望持续拓展。ISO13318系列标准体系也面临着进一步完善的机遇，一方面可以通过加快修订第2部分（光盘离心法）和第3部分（X射线重力法）以适应新仪器技术的发展步伐，另一方面可以探索制定针对新型离心沉降仪器（如多波长检测系统、在线监测系统）的标准化技术文件。此外，随着人工智能技术在数据处理领域的深度渗透，未来标准有望引入智能算法辅助粒度分布反演计算的标准化指导框架，进一步提升测量数据的准确性和可靠性。同时，颗粒粒度标准物质体系（如纳米级聚苯乙烯微球标准物质）的持续完善，将为离心液体沉降法的量值溯源提供更为坚实的物质基础。6结论ISO13318-1:2024的发布是粒度分析领域国际标准化工作的一项重要成果。该标准在继承2001年版基本框架的基础上，结合近年来粒度分析技术的显著进步，在理论模型、仪器要求、数据处理、校准验证和不确定度评估等关键环节实现了系统性升级和完善。标准在技术层面填补了离心液体沉降法在高精度粒度测量领域的规范化空白，为各类用户提供了科学、严谨且具备良好可操作性的测试方法指南。标准的实施将有效提升粒度测量数据的可靠性和可比性，促进相关行业产品质量控制水平的提升，并为消除国际贸易中的技术性壁垒发挥积极的推动作。建议国内相关标准化技术组织和检测机构积极跟踪该标准的实施动态，结合国内产业需求适时开展标准的转化和宣贯培训工作，推动我国粒度分析技术水平与国际标准体系的深度融合与协同发展。参考文献[1]ISO13318-1:2024,Determinationofparticlesizedistributionbycentrifugalliquidsedimentationmethods—Part1:Generalprinciples,requirementsandguidance[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2024.[2]ISO13318-1:2001,Determinationofparticlesizedistributionbycentrifugalliquidsedimentationmethods—Part1:Generalprinciplesandguidelin