顆粒粒徑分析方法匯總

一、相關(guān)概念：

1、粒度與粒徑：顆粒的大小稱為粒度，一般顆粒的大小又以直徑表示,故也稱為粒徑。

2、粒度分布：用一定方法反映出一系列不同粒徑區(qū)間顆粒分別占試樣總量的百分比稱為粒度分布。

3、等效粒徑：由于實(shí)際顆粒的形狀通常為非球形的，難以直接用直徑表示其大小，因此在顆粒粒度測(cè)試領(lǐng)域，對(duì)非球形顆粒，通常以等效粒徑（一般簡(jiǎn)稱粒徑）來表征顆粒的粒徑。等效粒徑是指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí)，就用該球形顆粒的直徑代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。其中，根據(jù)不同的原理，等效粒徑又分為以下幾類：等效體積徑、等效篩分徑、等效沉速?gòu)健⒌刃队懊娣e徑。需注意的是基于不同物理原理的各種測(cè)試方法，對(duì)等效粒徑的定義不同，因此各種測(cè)試方法得到的測(cè)量結(jié)果之間無直接的對(duì)比性。

4、顆粒大小分級(jí)習(xí)慣術(shù)語：納米顆粒（1-100 nm），亞微米顆粒（0.1-1 μm），微粒、微粉（1-100 μm），細(xì)粒、細(xì)粉（100-1000 μm），粗粒（大于1 mm）。

5、平均徑：表示顆粒平均大小的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的儀器所測(cè)量的粒度分布，平均粒徑分、體積平均徑、面積平均徑、長(zhǎng)度平均徑、數(shù)量平均徑等。

6、D50：也叫中位徑或中值粒徑，這是一個(gè)表示粒度大小的典型值，該值準(zhǔn)確地將總體劃分為二等份，也就是說有50%的顆粒超過此值，有50%的顆粒低于此值。如果一個(gè)樣品的D50=5 μm，說明在組成該樣品的所有粒徑的顆粒中，大于5 μm的顆粒占50％，小于5 μm的顆粒也占50％。

7、最頻粒徑：是頻率分布曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粒徑值。

8、D97：D97指一個(gè)樣品的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到97%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。它的物理意義是粒徑小于它的的顆粒占97%。這是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的表示粉體粗端粒度指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

二、粒度測(cè)試的基本方法及其分析

激光法

激光法是通過一臺(tái)激光散射的方法來測(cè)量懸浮液，乳液和粉末樣品顆粒分布的多用途儀器。納米型和微米型激光料度儀還可以通過安裝的軟件來分析顆粒的形狀。現(xiàn)在已經(jīng)成為顆粒測(cè)試的主流。

1、優(yōu)點(diǎn)：（1）適用性廣，既可測(cè)粉末狀的顆粒，也可測(cè)懸浮液和乳濁液中的顆粒；（2）測(cè)試范圍寬，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13320 - 1 Particle Size Analysis 2 Laser Diffraction Meth 2 ods 2 Part 1: General Principles中規(guī)定激光衍射散射法的應(yīng)用范圍為0.1～3000 μm；（3）準(zhǔn)確性高，重復(fù)性好；（4）測(cè)試速度快；（5）可進(jìn)行在線測(cè)量。

2、缺點(diǎn)：不宜測(cè)量粒度分布很窄的樣品，分辨率相對(duì)較低。

激光散射技術(shù)分類：

1、靜態(tài)光散射法（即時(shí)間平均散射）：測(cè)量散射光的空間分布規(guī)律采用米氏理論。測(cè)試的有效下限只能達(dá)到50納米，對(duì)于更小的顆粒則無能為力。納米顆粒測(cè)試必須采用“動(dòng)態(tài)光散射”技術(shù)。

2、動(dòng)態(tài)光散射法：研究散射光在某固定空間位置的強(qiáng)度隨度時(shí)間變化的規(guī)律。原理基于ISO 13321分析顆粒粒度標(biāo)準(zhǔn)方法，即利用運(yùn)動(dòng)著的顆粒所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)的散射光，通過光子相關(guān)光譜分析法分析PCS顆粒粒徑。

按儀器接受的散射信號(hào)可以分為衍射法、角散射法、全散射法、光子相關(guān)光譜法，光子交叉相關(guān)光譜法（PCCS）等。其中以激光為光源的激光衍射散射式粒度儀（習(xí)慣上簡(jiǎn)稱此類儀器為激光粒度儀）發(fā)展最為成熟，在顆粒測(cè)量技術(shù)中已經(jīng)得到了普遍的采用。

激光粒度分析儀：

圖1：激光粒度儀裝置框圖

沉降法

沉降法又分為：如沉降天平、光透沉降、離心沉降等。比重計(jì)法(也稱密度計(jì)法) ：是沉降分析法的一種，另外還有移液管法(也稱吸管法)。該兩法的理論基礎(chǔ)都是依據(jù)Stokes(斯托克斯)定律，即球狀的細(xì)顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。

遵循Stokes定律：

根據(jù)不同粒徑的顆粒在液體中的沉降速度不同測(cè)量粒度分布的一種方法。它的基本過程是把樣品放到某種液體中制成一定濃度的懸浮液，懸浮液中的顆粒在重力或離心力作用下將發(fā)生沉降。大顆粒的沉降速度較快，小顆粒的沉降速度較慢。斯托克斯Stokes定律是沉降法粒度測(cè)試的基本理論依據(jù)。

圖2：沉降法原理示意圖

1、優(yōu)點(diǎn)：該法在涂料和陶瓷等工業(yè)中是一種傳統(tǒng)的粉體粒徑測(cè)試方法。

2、缺點(diǎn)：測(cè)量速度慢，不能處理不同密度的混合物。結(jié)果受環(huán)境因素（比如溫度）和人為因素影響較大。

篩分法

篩分法就是用一套標(biāo)準(zhǔn)篩子如孔直徑(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，按照被測(cè)試樣的粒徑大小及分布范圍，將大小不同篩孔的篩子疊放在一起進(jìn)行篩分，收集各個(gè)篩子的篩余量，稱量求得被測(cè)試樣以重量計(jì)的顆粒粒徑分布。將烘干且分散了的200 g有代表性的試樣倒入標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi)搖振，然后分別稱出留在各篩子上的土重，并計(jì)算出各粒組的相對(duì)含量，即得土的顆粒級(jí)配。

1、優(yōu)點(diǎn) ：成本低，使用容易。

2、缺點(diǎn) ：對(duì)小于400 目（38 μm）的干粉很難測(cè)量。測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，得到的結(jié)果就越小。不能測(cè)量射流或乳濁液；在測(cè)量針狀樣品時(shí)這會(huì)得到一些奇怪的結(jié)果。難以給出詳細(xì)的粒度分布；操作復(fù)雜，結(jié)果受人為因素影響較大；所謂某某粉體多少目，是指用該目數(shù)的篩篩分后的篩余量小于某給定值。如果不指明篩余量，“目”的含義是模糊的，給溝通帶來不便。

圖3：篩分法原理示意圖

顯微鏡法

該法測(cè)試時(shí)將試樣涂在玻璃載片上，采用成像法直接觀察和測(cè)量顆粒的平面投影圖像，從而測(cè)得顆粒的粒徑。能逐個(gè)測(cè)定顆粒的投影面積，以確定顆粒的粒度，測(cè)定范圍為150～0.4 μm，電子顯微鏡的測(cè)定下限粒度可達(dá)0.001 μm或更小。顯微鏡法屬于成像法，運(yùn)用不同的當(dāng)量表示。故而顯微鏡法的測(cè)試結(jié)果與其他測(cè)量方法之間無直接的對(duì)比性。是一種最基本也是最實(shí)際的測(cè)量方法，常被用來作為對(duì)其他測(cè)量方法的校驗(yàn)和標(biāo)定。但這類儀器價(jià)格昂貴，試樣制備繁瑣，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，若僅測(cè)試顆粒的粒徑，一般不采用此方法。但若既需要了解顆粒的大小還需要了解顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)狀況以及表面形貌時(shí)，該方法則是最佳的測(cè)試方法。

其中較為常用的有SEM（掃描電子顯微鏡）、TEM（透射電子顯微鏡）和AFM（原子力顯微鏡）。

例如頂級(jí)期刊中常用這些方法進(jìn)行材料形貌與微粒大小分析：

SEM：

圖4：模板劑聚苯乙烯（PS）球的SEM圖[1]

TEM:

圖5：硅微球的TEM圖及其直徑分布統(tǒng)計(jì)圖[2]

AFM：

圖6：氧化石墨烯的AFM圖片[3]

超聲粒度分析

超聲波發(fā)生端（RF Generator）發(fā)出一定頻率和強(qiáng)度的超聲波，經(jīng)過測(cè)試區(qū)域，到達(dá)信號(hào)接收端（RF Detector）。當(dāng)顆粒通過測(cè)試區(qū)域時(shí)，由于不同大小的顆粒對(duì)聲波的吸收程度不同，在接收端上得到的聲波的衰減程度也就不一樣，根據(jù)顆粒大小同超聲波強(qiáng)度衰減之間的關(guān)系，得到顆粒的粒度分布，同時(shí)還可測(cè)得體系的固含量。

圖7：超聲粒徑分析儀原理示意圖

X射線粉晶散射法（XRD）

利用謝樂公式進(jìn)行計(jì)算：

(K為謝樂常數(shù)、D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B為實(shí)測(cè)樣品衍射峰半高寬度、θ為衍射角、γ為X射線波長(zhǎng)，一般為0.154056 nm)

K為謝樂常數(shù)，若B為衍射峰的半高寬,則K=0.89；若B為衍射峰的積分高寬,則K=1；D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度（nm）；

B為實(shí)測(cè)樣品衍射峰半高寬度（必須進(jìn)行雙線校正和儀器因子校正），在計(jì)算的過程中，需轉(zhuǎn)化為弧度（rad）；

θ為衍射角，也換成弧度制（rad）；

γ為X射線波長(zhǎng)，為0.154056 nm。

1、優(yōu)點(diǎn)：該方法測(cè)試過程簡(jiǎn)單，易行，在晶體材料中晶粒估算上具有廣泛應(yīng)用。

2、缺點(diǎn)：該方法測(cè)試結(jié)果較為粗糙，且不適用于非晶材料。

顆粒圖像法

1、顆粒圖像法有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種測(cè)試方法。

2、靜態(tài)方式使用改裝的顯微鏡系統(tǒng)，配合高清晰攝像機(jī)，將顆粒樣品的圖像直觀的反映到電腦屏幕上，配合相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件可進(jìn)行顆粒大小、形狀、整體分布等屬性的計(jì)算

3、動(dòng)態(tài)方式具有形貌和粒徑分布雙重分析能力。重建了全新循環(huán)分散系統(tǒng)和軟件數(shù)據(jù)處理模塊，解決了靜態(tài)顆粒圖像儀的制樣繁瑣、采樣代表性差、顆粒粘連等缺陷

圖8：顆粒圖像儀示意圖

原理：　從頻閃光源發(fā)出的頻閃光，經(jīng)過光束擴(kuò)束器，得到平行的頻閃光，在測(cè)試區(qū)域頻閃光照射在分散好的單個(gè)顆粒上，經(jīng)過擁有專利的光學(xué)成像系統(tǒng)，得到每個(gè)顆粒清晰的圖像和全部樣品的粒度分布.

庫(kù)爾特電阻法

庫(kù)爾特電阻法在生物等領(lǐng)域得到廣范應(yīng)用已經(jīng)成為磨料和某些行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)顆粒在電解液中通過某一小孔時(shí)，不同大小顆粒導(dǎo)致孔口部位電阻的變化，由此顆粒的尺寸大小由電阻的變化加以表征和測(cè)定。可以測(cè)得顆粒數(shù)量，因此又稱庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器，測(cè)量精度較高，重復(fù)性好，但易出現(xiàn)孔口被堵現(xiàn)象，通常范圍在0.5～100 μm之間。

電阻法儀器都采用負(fù)壓虹吸方式,迫使樣品通過寶石微孔。小圓柱形寶石微孔內(nèi)充滿介質(zhì)形成恒定的液態(tài)體電阻( R0 ) ,當(dāng)樣品中有一個(gè)直徑為d 圓球形標(biāo)準(zhǔn)粒子通過寶石微孔的瞬間,由于微粒的電阻率大于介質(zhì)的電阻,就產(chǎn)生電阻增量ΔR ,根據(jù)庫(kù)爾特公式因此電阻法傳感器輸出電壓脈沖也與微粒的體積成正比。

1、優(yōu)點(diǎn)：（1） 分辨率高：能分辨各顆粒之間粒徑的細(xì)微差別。分辨率是現(xiàn)有各種粒度儀器中最高的。（2） 測(cè)量速度快：測(cè)一個(gè)樣品一般只需15 Sec左右。（3） 重復(fù)性較好：一次要測(cè)量1萬個(gè)左右的顆粒，代表性較好，測(cè)量重復(fù)性較高。（4） 操作簡(jiǎn)便：整個(gè)測(cè)量過程基本上自動(dòng)完成，操作簡(jiǎn)便。

2、缺點(diǎn)：(1)動(dòng)態(tài)范圍較小：對(duì)同一個(gè)小孔管來說，能測(cè)量的最大和最小顆粒之比約為20：1。(2)容易發(fā)生堵孔故障。雖然新型的計(jì)數(shù)器具有自動(dòng)排堵功能，畢竟影響了測(cè)量的順暢。   （3）測(cè)量下限不夠小：現(xiàn)實(shí)中能用的小孔管最小孔徑為60 μm左右，因而測(cè)量下限為1.2 μm左右。 

三、粒度儀的選擇

1、測(cè)試范圍：測(cè)試范圍是指粒度儀的測(cè)試上限和下限之間所包含的區(qū)域?qū)嶋H樣品的粒度范圍最好在儀器測(cè)量范圍的中段。測(cè)試范圍要留有一定的余量。

2、重復(fù)性：重復(fù)性是儀器好壞的主要指標(biāo)。通過實(shí)際測(cè)量的方法來檢驗(yàn)儀器的重復(fù)性是最真實(shí)的。比較重復(fù)性時(shí)一般用  D10、D50、D90 三個(gè)數(shù)值。

3、用途：由于不同粒度儀的性能各有所長(zhǎng)，可以根據(jù)不同的需要選擇更適合的儀器。比如測(cè)試量多和樣品種類多的就要用激光法粒度儀，測(cè)試量少和樣品單一的可以選擇沉降法粒度儀，需要了解顆粒形貌和其它特殊指標(biāo)的選用圖像儀等。

4、與行業(yè)習(xí)慣和主要客戶保持一致：由于粒度測(cè)試的特殊性，不同粒度儀的測(cè)試結(jié)果往往會(huì)有偏差。為減少不必要的麻煩，應(yīng)選用與行業(yè)習(xí)慣和主要客戶相同（原理相同甚至型號(hào)相同）的粒度儀。

四、總結(jié)

粒度測(cè)試是一項(xiàng)專業(yè)性和技術(shù)性很強(qiáng)的工作。此項(xiàng)工作對(duì)粉體產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制都具有重要影響，對(duì)人員、儀器、環(huán)境都有很高的要求。了解粒度測(cè)試的基本知識(shí)和基本方法，對(duì)作好粒度測(cè)試工作具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。