粉末粒度分析方法講訴

1、粉末粒度分析方法0背景介紹粉末粒度作為粉末性能一個(gè)最重要的方面，對(duì)粉末冶金材料性能及其制備有 著密切的關(guān)系，粉末粒度的測(cè)定是粉末冶金生產(chǎn)中檢驗(yàn)粉末質(zhì)量以及調(diào)節(jié)和控制 工藝過(guò)程的重要依據(jù)。粉末顆粒形狀的復(fù)雜性和粒度范圍的擴(kuò)大，特別是超細(xì)粉 末的應(yīng)用使得準(zhǔn)確而方便的的定粒度變得很困難。1粉末粒度與粒度分布1.1粒度和粒度組成粉末粒度也稱(chēng)顆粒粒度，指顆粒占據(jù)空間的尺度，通常用mm或um表示。對(duì)于一個(gè)球形顆粒，粒度是單一的參數(shù)：直徑 D。然而，隨之顆粒形狀的復(fù)雜， 近使用一個(gè)參數(shù)是不能表示粉末顆粒的尺寸， 需要的粒度參數(shù)也增加。對(duì)于以個(gè) 形狀不規(guī)則的顆粒，粉末尺寸可以用投影高度 H（任意）、最大長(zhǎng)度M

2、、水平寬度 W、相等體積球的直徑或具有相等表面積球的直徑D來(lái)表達(dá)。這些表示顆粒粒徑的方法稱(chēng)為等效粒徑。表1為用不同等效粒徑來(lái)表示某一不規(guī)則粉末顆粒的粒 度。表1不同等效粒徑顯示某一顆粒粒度測(cè)量符號(hào)值mm投影高度H1.00投影寬度W0.72最大長(zhǎng)度M1.03投影面積Da0.76表面積Ds1.45體積Dv0.95由于組成粉末的無(wú)數(shù)顆粒一般粒徑不同， 故又用具有不同粒徑的顆粒占全部 粉末的百分含量表示粉末的粒度組成， 又稱(chēng)粒度分布。但是通常所說(shuō)的粉末粒度 包含粉末平均粒度的意義，也就是粉末的某種統(tǒng)計(jì)性平均粒徑。1.2粒度基準(zhǔn)用長(zhǎng)、寬、高三維尺寸的某種平均值來(lái)度量，稱(chēng)為幾何學(xué)粒徑。由于測(cè)量顆 粒的幾何

3、尺寸非常麻煩，計(jì)算幾何學(xué)平均徑也較繁瑣，因此又有通過(guò)測(cè)定粉末的 沉降速度、比表面積、光波衍射或散射等性質(zhì)，而用當(dāng)量或名義直徑表示粒度的方法?？梢圆捎孟旅嫠姆N粒徑基準(zhǔn)1）幾何學(xué)粒徑dg：用顯微鏡按投影幾何學(xué)原理測(cè)得的粒徑稱(chēng)投影徑。2）當(dāng)量粒徑de：利用沉降法、離心法或水力學(xué)方法（風(fēng)篩法、水簸法） 測(cè)得的粉末粒度，稱(chēng)為當(dāng)量粒徑。當(dāng)量粒徑中有一種斯托克斯徑，其物理意 義是與被測(cè)粉末具有相同沉降速度且服從斯托克斯定律的同質(zhì)球形粒子的直 徑。由于粉末的實(shí)際沉降速度還受顆粒形狀和表面狀態(tài)的影響， 故形狀復(fù)雜、 表面粗糙的粉末，其斯托克斯徑總是比按體積計(jì)算的幾何學(xué)名義徑小。3）比表面積粒徑dsp：利用吸附法

4、、透過(guò)法和潤(rùn)濕熱法測(cè)定粉末的比表 面，再換算成具有相同比表面值的均勻球形顆粒的直徑，稱(chēng)為比表面積徑， dsp=6Sv 。4） 衍射粒徑dse：對(duì)于粒度接近電磁波波長(zhǎng)的粉末，基于光與電磁波（如 X 光等）的衍射現(xiàn)象所測(cè)得的粒徑稱(chēng)為衍射粒徑。1.3 粒度分布基準(zhǔn) 粉末粒度組成是指不同粒徑的顆粒在粉末總量中所占的百分?jǐn)?shù)， 可以用某種 統(tǒng)計(jì)分布曲線(xiàn)或統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)描述。粒度的統(tǒng)計(jì)分布可以選擇四種不同的基準(zhǔn)， 實(shí)際應(yīng)用的是頻度分布和質(zhì)量基準(zhǔn)分布。1） 個(gè)數(shù)基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆粒數(shù)占全部顆粒總數(shù)刀n的百分 數(shù)表示，又稱(chēng)頻度分布。2）長(zhǎng)度基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傞L(zhǎng)度占全部顆粒的長(zhǎng)度總和刀n

5、D的百分?jǐn)?shù)表示。3）面積基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？偙砻娣e占全部顆粒的表面積 總和刀nD2的百分?jǐn)?shù)表示。4）質(zhì)量基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傎|(zhì)量占全部顆粒的質(zhì)量總和刀nD3的百分?jǐn)?shù)表示。表 2 是某一種粉末的粒度的頻度分布統(tǒng)計(jì)表，如果用各粒級(jí)的頻度f(wàn)i（ %）除以該粒級(jí)的間隔 u （表2中為1um）,則得到相對(duì)相對(duì)頻度，單位是 %/um。以相 對(duì)頻度對(duì)平均粒徑作圖得到圖 2，為相對(duì)頻度分布曲線(xiàn)。表 2 中累計(jì)百分?jǐn)?shù)代表 包括某一粒級(jí)在內(nèi)的小于該粒級(jí)的顆粒的百分含量，對(duì)平均粒徑作圖得到圖2負(fù)累計(jì)分布曲線(xiàn)。 累計(jì)分布曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng) 50%的粒徑稱(chēng)中位徑。 該曲線(xiàn)斜率最大的地方對(duì)應(yīng)多數(shù)徑的尺

6、寸。表2頻度分布統(tǒng)計(jì)表級(jí)別pm平均凰隹d.r牛1!百分IS曲度）ZrSin積百分?jǐn)?shù) 髯1-02-01. &393.3 922r03,02. 571化11LQ3i.o4. 0乩5調(diào)8=81944 05-Q4 514214.234.050B.O5.517317.351，3e6. O7 06. 521821. 873-177t Ofl* Q7； 515115 188-2&S.fls.o8.57S7-S沁Q99- 010-0*32亂299-21010,0-11 Qg山呂100息計(jì)N = 1000圖1頻度分布曲線(xiàn)圖2累計(jì)分布曲線(xiàn)2粒度測(cè)定技術(shù)根據(jù)粒徑的四種基準(zhǔn)，可以將粒度測(cè)定方法分成四大類(lèi)，如表3所示。

7、表3粒度測(cè)定主要方法一覽表粒徑基準(zhǔn)方法名稱(chēng)測(cè)量范圍/m粒度分布基準(zhǔn)幾何學(xué)粒徑篩分法40質(zhì)量分布光學(xué)顯微鏡5000.2個(gè)數(shù)分布電子顯微鏡100.1同上電阻（庫(kù)爾特）5000.5同上當(dāng)里粒徑重力沉降201同上離心沉降100.05同上比濁沉降500.05同上:氣體沉降501.0同上風(fēng)篩4015同上水篩405同上:擴(kuò)散0.50.001同上比表面粒徑吸附（氣體）200.001比表面積平均徑透過(guò)（氣體）500.2同上:濕潤(rùn)熱100.001同上光衍射粒徑光衍射100.001體積分布X光衍射0.050.0001體積分布2.1傳統(tǒng)方法1）顯微鏡法：以顯微鏡下觀察到的長(zhǎng)度來(lái)表示粒度的大小，該方法的優(yōu)點(diǎn)是 設(shè)備簡(jiǎn)單

8、，分析快捷，適合于限度檢查，缺點(diǎn)是采樣量少，代表性差，對(duì)粒度整 體分布很難量化計(jì)算。2）篩分法：實(shí)際操作時(shí)，選用合適的篩子，按篩孔從小到大的順序排列，最 下面是篩底，被測(cè)試樣加在最上面的篩子上，然后通過(guò)一定的外力使篩子產(chǎn)生振 動(dòng)，從而使被測(cè)試樣通過(guò)篩網(wǎng)，經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間后，小心地取下各個(gè)篩子，仔細(xì) 稱(chēng)重并計(jì)算每個(gè)篩子的篩余量，從而求得被測(cè)試樣以重量計(jì)的顆粒粒徑分布。 過(guò) 篩的方法有：手工過(guò)篩法，機(jī)械過(guò)篩法。2.2激光法粒度測(cè)定該方法適用于各種顆粒粒度分布的測(cè)定，快速準(zhǔn)確，能自動(dòng)化操作，可以測(cè)定任一范圍內(nèi)顆粒體積百分比。特別是對(duì)粒徑比較小的試樣，也可以準(zhǔn)確測(cè)量， 彌補(bǔ)了常規(guī)粒度分析方法的不足。 不

9、足之處是儀器價(jià)格比較昂貴。粒度分析儀都 包括濕法和干法兩種樣品臺(tái)，干法樣品臺(tái)適用于流動(dòng)性好、靜電小的樣品，優(yōu)點(diǎn) 是方便快捷，缺點(diǎn)是重現(xiàn)性稍差。濕法樣品臺(tái)優(yōu)點(diǎn)是分析結(jié)果準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，缺點(diǎn)是許多試樣很難找到合適的分散劑。2.2.1原理一一米氏理論米氏（Mie）理論是描述光散射更嚴(yán)格的理論，該理論預(yù)測(cè)了各種粒子的散 射強(qiáng)度，包括小的或大的，透明的或不透明的粒子。顆粒的大小可直接通過(guò)散射 角的大小表現(xiàn)出來(lái)，小顆粒對(duì)激光的散射角大，大顆粒對(duì)激光的散射角小，通過(guò) 對(duì)顆粒角向散射光強(qiáng)的測(cè)量（不同顆粒散射的疊加），再運(yùn)用矩陣反演分解角向散 射光強(qiáng)即可獲得樣品的粒度分布。圖 3為激光粒子散射圖。圖3激光粒子散

10、射圖散射光場(chǎng)某點(diǎn)P的散射光強(qiáng)公式為：/(0 f =入、C sin+ /2 co(p /04JC 一其中ii, i2為散射強(qiáng)度函數(shù)，分別表示平行于與垂直于散射面的強(qiáng)度分量。 |2米氏理論適用于經(jīng)典意義上任意大小的顆粒，但是對(duì)大顆粒（r1），米氏散射公式的數(shù)值計(jì)算十分復(fù)雜。Rayleigh和Fraunhofor散射定律用于早期的衍射儀器中，分別用于較小和 較大的粒子測(cè)量。當(dāng)Dvv入，屬于Rayleigh散射為主的分子散射，照在顆粒上的光均等地 向各方向散射。散射光強(qiáng)度遵從Rayleigh散射定律，與介質(zhì)粒子的體積平方成正比，與入成反比。當(dāng)D入，屬于Fraunhofer衍射范圍，他們之間存著復(fù) 雜的

11、數(shù)學(xué)關(guān)系。簡(jiǎn)言之，產(chǎn)生的衍射角符合下式：sin 0 =入 /b2.2.2激光粒度儀原理如圖4為激光粒度分析儀的原理圖，從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)顯微發(fā)出的激 光束顯微物鏡聚焦，針孔濾波和準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，變成直徑約10mm的平行光束，該光束照射到待測(cè)的顆粒上，一部分光被散射。散射光經(jīng)傅立葉透射后，照射到 光電探測(cè)器陣列上，探測(cè)器上的任一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于某一確定的散射角，光電探測(cè)器陣列由一系列同心環(huán)帶組成,散射光能線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成電壓,每個(gè)環(huán)帶是一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器，能將投射到上面的 然后送給數(shù)據(jù)采集卡，該卡將電信號(hào)放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)。223測(cè)試步驟1）樣品前處理 取樣測(cè)量提取樣品時(shí)，要確保使用的樣品

12、是有代表性的。如果是從瓶子或容器中 提取的樣品，必須保證樣品是充分混勻的，如果樣品是粉狀，大顆粒易浮于容器 表面，小顆粒易沉于底部。測(cè)量前樣品應(yīng)充分混合，不要搖晃容器，這樣會(huì)加速 顆粒分離。相反，用兩只手握著容器，輕輕滾轉(zhuǎn)，不停更換方向20秒，當(dāng)容器是半滿(mǎn)時(shí)，這種方法會(huì)更好。 干法樣品如果以干燥形勢(shì)來(lái)使用或儲(chǔ)存樣品，用干燥分析方法較好。一些樣品易和濕 分散劑起反應(yīng)，比如可能溶解或和液體接觸時(shí)膨脹，所以只能在干燥狀態(tài)下測(cè)量。若粉末在干燥狀態(tài)能否自由流動(dòng)，良好的表現(xiàn)為不粘連干燥粉狀樣品， 可以 在進(jìn)料器中充分分解；而高粘性物質(zhì)卻易粘結(jié)，使測(cè)量出現(xiàn)偏差。若樣品結(jié)塊需 要在烘箱中干燥，應(yīng)將烘箱調(diào)到最高

13、溫度，但不要高于樣品熔點(diǎn)。如果烘箱對(duì)樣 品有明顯影響，可用干燥器。 濕法樣品第一個(gè)選擇是測(cè)量濕樣品時(shí)對(duì)懸浮介質(zhì) （分散劑）的選擇。初次分析樣品時(shí) 最好預(yù)先檢查分散情況，將選擇好的分散劑（初期測(cè)量通常用水）加入裝有少許 樣品的燒杯中并觀察結(jié)果。樣品可能溶解，這可以觀察到，如果不確定，可以對(duì) 樣品進(jìn)行分析并觀察遮光度， 如果觀察到遮光度降低， 說(shuō)明樣品正在溶解。 如果 分散劑自身含有雜質(zhì)或顆粒， 這是值得注意的， 在使用前用內(nèi)嵌式導(dǎo)管過(guò)濾器 （用 于少量）或可多次使用的注射器過(guò)濾分散劑。如果分散劑是加壓或低溫儲(chǔ)藏， 在使用前要考慮排氣。 減壓或加溫都會(huì)降低 氣體的溶解性， 因而會(huì)引起氣泡在管內(nèi)和樣

14、品池內(nèi)的生成。 測(cè)量樣品時(shí)氣泡作為 顆粒計(jì)算會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏差， 尤其在總干線(xiàn)給水時(shí)， 這更是個(gè)特殊的問(wèn)題。 最簡(jiǎn) 單的解決方法是在使用前將分散劑在室溫或常壓下儲(chǔ)存幾小時(shí)脫氣。 2）遮光比的確定遮光比是測(cè)量每次激光柬中有多少樣品。 如果太高可能發(fā)生多重衍射， 如果 太低會(huì)顯示不足的信號(hào)并且測(cè)量精確度會(huì)受到影響。 根據(jù)樣品粒度及樣品池的路 徑長(zhǎng)度設(shè)置，粒度小且分布窄，遮光度設(shè)置低；粒度大且分布寬遮光度設(shè)置高。3）分散氣壓的確定分散氣壓可選擇的范圍是 01.0 MPa。通常的做法是由以下幾種方法確定選擇 的氣壓是否準(zhǔn)確。在不同的壓力下做不同的測(cè)量尋找一 “停滯”的穩(wěn)定結(jié)果,通常選擇最低氣壓下的穩(wěn)定結(jié)

15、果。 若樣品測(cè)量后可以恢復(fù)， 且在測(cè)量時(shí)無(wú)明顯 的變化,則這時(shí)的氣壓為合適的氣壓。如果樣品可以用濕法測(cè)量且測(cè)量結(jié)果無(wú) 明顯差別 （或接近濕法結(jié)果 ），則這時(shí)的氣壓為合適的氣壓。4）折射率的確定查找相關(guān)資料可知， 當(dāng)擬合殘余最小時(shí)， 所設(shè)定的折射率接近真實(shí)值。 實(shí)驗(yàn)時(shí)可 以通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳折射率。5）背景采樣持續(xù)時(shí)間 背景采樣持續(xù)時(shí)間是激光透過(guò)純凈介質(zhì)后在探測(cè)器上形成的固定的光信號(hào)， 主要 是探測(cè)光經(jīng)過(guò)路徑上的顆粒物對(duì)光的散射引起的。 測(cè)量背景的目的是在粒度測(cè)試 （有樣品 ）是扣除這些固定的、與樣品無(wú)關(guān)的信號(hào)，以消除樣品散射以外的雜散光 對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。時(shí)間較長(zhǎng)可較好的消除的誤差。6）樣品采樣開(kāi)始時(shí)間一般設(shè)置為24s,這樣采樣均勻，精度較好。太短，精度差，太長(zhǎng)則浪費(fèi)能源。7）樣品采樣持續(xù)時(shí)間。 一般樣品的測(cè)量：分別對(duì)樣品采樣時(shí)間設(shè)置為若干