各種粒度表征技術(shù)的相關(guān)性研究

譚立新,蔡一湘,余志明,梁泰然

(1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650;2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程系,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

各種粒度表征技術(shù)的相關(guān)性研究

譚立新1,蔡一湘1,余志明2,梁泰然1

(1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650;2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程系,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

對(duì)幾種普遍使用的粒度測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了比較,認(rèn)為激光衍射法測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性最好,測(cè)量精度高.對(duì)粒徑范圍較窄的球形粉體(單分散顆粒),分別采用激光衍射法、電阻法、沉降法和顯微鏡法測(cè)量的中位徑(D50)值具有可比性;對(duì)粒徑范圍較寬的球形粉體,只有激光衍射法、電阻法和顯微鏡法測(cè)量的中位徑D50值具有可比性,沉降法的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差較大,不具有可比性;對(duì)不規(guī)則形狀的粉體顆粒,采用這些測(cè)試技術(shù)測(cè)得的中位徑值一般沒有可比性.用比表面積法測(cè)量的比表面積粒徑偏小,測(cè)量結(jié)果與上述四種粒度測(cè)量方法不可比.顯微鏡法不適合對(duì)粒徑范圍較大、形狀不規(guī)則的顆粒進(jìn)行粒度測(cè)試.

粒度測(cè)試;激光衍射法;沉降法;電阻法;顯微鏡法;比表面積法

測(cè)試顆粒粒徑的技術(shù)和方法主要有篩分法、沉降法、顯微鏡法、光散射法、電阻法(庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法)、比表面積法、超聲波衰減法等.在眾多的測(cè)試方法中,除顯微鏡法屬于直接測(cè)量顆粒的絕對(duì)幾何尺寸外,其余方法測(cè)得的粒徑都不是絕對(duì)的幾何概念的尺寸,而是所謂的“等效粒徑”.

本文通過對(duì)多種粒度測(cè)試方法,如顯微鏡法、沉降法、電阻法、激光衍射法和比表面積法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),研究所得結(jié)果的異同并分析其原因,為工程應(yīng)用尋找出利用現(xiàn)有粒度測(cè)試技術(shù)更真實(shí)更準(zhǔn)確地反映顆粒粒度及其分布的方法.

1 粒度測(cè)試方法

1.1 顯微鏡圖像法

顯微鏡圖像法能同時(shí)觀察顆粒的形貌及直觀地對(duì)顆粒的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)常被用來作為對(duì)其他測(cè)量方法的一種校驗(yàn)或標(biāo)定.該類儀器由顯微鏡、CCD攝像頭(或數(shù)碼相機(jī))、圖形采集卡、計(jì)算機(jī)(圖像分析儀)等部分組成.它的工作原理是由CCD攝像頭將顯微鏡的放大圖形傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,再通過專用分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算,得出顆粒的粒徑和粒徑分布.該方法減少了人為觀測(cè)誤差,提高了測(cè)試速度,但它的制樣要求高、操作復(fù)雜且設(shè)備昂貴.顯微鏡圖像法的測(cè)量結(jié)果主要表征顆粒的二維尺寸(長(zhǎng)度和寬度),而無法表征其高度.

1.2 沉降法

沉降法是基于顆粒在液體中的沉降符合斯托克斯定律這一原則,根據(jù)顆粒在液體中的最終沉降速度來計(jì)算顆粒的粒徑.在實(shí)際操作中,由于測(cè)試顆粒的最終沉降速度存在較大困難,因此,所有沉降儀都是測(cè)量與最終沉降速度相關(guān)的其它物理參數(shù),如壓力、密度、重量、濃度或光透過率等,進(jìn)而求得顆粒的粒徑分布.沉降法又分為重力沉降和離心沉降兩種,重力沉降的測(cè)試范圍通常為0.5～100μm,離心沉降可測(cè)量的粒徑范圍為0.05～5μm.目前,沉降式顆粒儀一般都采用重力沉降和離心沉降相結(jié)合的方式.

1.3 電阻法

電阻法又稱庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法,適合對(duì)粒度分布比較窄的顆粒進(jìn)行測(cè)量.它的工作原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單:懸浮在電解液中的顆粒在負(fù)壓作用下通過一個(gè)由紅寶石制成的小孔,兩個(gè)鉑電極組成的電阻式傳感器分別插浸在小孔的兩側(cè),顆粒通過小孔時(shí)電極間電阻增大,產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖.脈沖的幅值對(duì)應(yīng)于顆粒的體積和相應(yīng)的粒徑,脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)于顆粒的個(gè)數(shù).對(duì)所有各個(gè)測(cè)量到的脈沖計(jì)數(shù)并確定其幅值,即可得出顆粒的大小,統(tǒng)計(jì)出顆粒的分布.電阻法是迄今為止分辨率最高的粒度分析技術(shù).

1.4 激光衍射法

激光衍射法(又稱小角前向散射法)是散射式激光測(cè)粒技術(shù)中發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最為普遍的一種方法,它通過測(cè)量顆粒在前向某一小角度范圍內(nèi)的散射光能分布,利用經(jīng)典的M ie散射理論和對(duì)大顆粒適用的夫瑯和費(fèi)理論,求得顆粒粒徑的大小和分布.對(duì)于粒徑較大的顆粒,由于在前向小角度范圍內(nèi)的散射以衍射為主,因此,小角前向散射法又稱為衍射法.激光衍射法的適用性廣,粒徑測(cè)量范圍寬,測(cè)量準(zhǔn)確,精度高,重復(fù)性好,測(cè)量速度快,需要提供的物理參數(shù)少,可在線測(cè)量等,故而得到廣泛應(yīng)用.

1.5 比表面積法

顆粒群的粒徑可用比表面積來間接表示.比表面積是單位質(zhì)量顆粒的表面積之和.通過測(cè)量顆粒的比表面積Sw,再將其換算成具有相同比表面積值的均勻球形顆粒的直徑,這種測(cè)量粒徑的方法稱為比表面積法,所得粒徑稱為比表面積徑.比表面積徑d可由式(1)計(jì)算:

式(1)中,ρ為顆粒的密度(一般取比重瓶密度),Sw為克比表面積.

2 實(shí)驗(yàn)用儀器及樣品

本研究選用的粒度測(cè)試方法及儀器有:英國(guó)Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀(激光衍射法),美國(guó)BECKMAN COUL TER公司的M ultisizerⅢ顆粒粒度分析計(jì)數(shù)儀(電阻法),日本島津公司的SA-CP3離心粒度分析儀(沉降法),美國(guó)BECKMAN COUL TER公司的SA 3100比表面積及孔徑分析儀(比表面積法),日本電子株式會(huì)社JSM-5910掃描電鏡(顯微鏡法).

實(shí)驗(yàn)用樣品:聚苯乙烯球(國(guó)產(chǎn)Φ1.43μm球形標(biāo)樣)、SB040102玻璃微珠(國(guó)產(chǎn)Φ10.6μm球形標(biāo)樣)、SB2004玻璃微珠(國(guó)產(chǎn)Φ35.0μm球形標(biāo)樣)、進(jìn)口鎢粉、普通α-A l2O3粉及普通SiO2粉.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同的粒度測(cè)試儀因工作原理的不同,所測(cè)得的等效粒徑也不同.激光法測(cè)量的是等效體積徑,電阻法測(cè)量的是等效電阻徑,沉降法測(cè)量的是等效沉速?gòu)?又叫Stokes徑),比表面積法測(cè)量的是等效表面積球體的直徑,本研究中顯微鏡法測(cè)量的是Feret徑(沿某一確定方向的二平行線之間的距離).為了合理地使用和比較不同測(cè)試方法的粒度數(shù)據(jù),需要了解這些方法之間的差異和原因,并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

為了研究這幾種方法測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性、準(zhǔn)確性以及相互之間的差異,本文采用選擇取一個(gè)子樣品放入儀器中重復(fù)測(cè)試三次的分析方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,分別將上述幾種粉體試樣在不同的儀器上進(jìn)行重復(fù)測(cè)試(顯微鏡法因耗時(shí)較長(zhǎng)只測(cè)試一次).上述六種樣品分別經(jīng)五種不同的粒度測(cè)試技術(shù)測(cè)得的特征粒徑值——中位徑D50列于表1.

表1 不同測(cè)量方法測(cè)得的中位徑 D50Table 1 Median diametersmeasured by different particle size analyzers

(續(xù)表1)

六種粉體的SEM照片如圖1所示.由圖1可以看到,聚苯乙烯球的球形度及單分散性最好,球體的直徑比較均勻(圖1(a)).SB040102玻璃微珠的粒徑分布范圍較窄,接近單分散,絕大部分顆粒為球形,混有極少量的非球形顆粒(圖1(b)).SB2004玻璃微珠的球形度雖較好,但微珠的粒徑分布范圍較寬,不具備單分散性(圖1(c)).鎢粉為粒徑范圍較窄的塊狀顆粒(圖1(d)),A l2O3粉和SiO2粉均為不規(guī)則形狀的顆粒.A l2O3粉顆粒為不規(guī)則形狀且多孔隙的顆粒,類似蜂窩狀(圖1(e));SiO2粉中存在較多10μm以下的小顆粒及60μm的大顆粒(圖1(e)).

圖1 試驗(yàn)用樣品粉體的SEM形貌

由從表1的測(cè)試結(jié)果可見:

(1)將激光粒度儀(激光衍射法)、庫(kù)爾特計(jì)數(shù)儀(電阻法)和離心粒度分析儀(沉降法)這三種使用最普遍的粒度分析儀的測(cè)試結(jié)果相比較,對(duì)其中位徑D50值的標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得:激光粒度儀的標(biāo)準(zhǔn)方差平均為0.008;庫(kù)爾特計(jì)數(shù)儀的標(biāo)準(zhǔn)方差平均為0.097;離心粒度分析儀的標(biāo)準(zhǔn)方差平均為0.219.由此可見,激光粒度儀的測(cè)得的D50值的標(biāo)準(zhǔn)方差最小,測(cè)量結(jié)果重復(fù)性最好,精度高,離心粒度儀的測(cè)量重復(fù)性及測(cè)量精度相對(duì)最差.

(2)對(duì)聚苯乙烯球分別用電阻法、激光衍射法、沉降法和顯微鏡法測(cè)量的D50值結(jié)果具有可比性,說明單分散的球形粉體用這四種方法測(cè)量的中位徑均具有可對(duì)比性;似單分散性的球形粉體SB040102玻璃微珠粉和不具備單分散性的球形粉體SB2004玻璃微珠粉用電阻法、激光法和顯微鏡法測(cè)量的中位徑結(jié)果具有可比性,但用沉降法測(cè)量的結(jié)果偏大,相對(duì)誤差大于5%,結(jié)果不具有可比性.這說明,雖然同是球形粉體,但如果粒徑范圍偏大,就只有部分測(cè)量方法所測(cè)的中位徑具有可比性.非球形粉體用不同原理儀器測(cè)得的中位徑值一般不具有可比性.

(3)比表面積法測(cè)得的粒徑比其余四種測(cè)量方法測(cè)得的粒徑值都要小很多,如對(duì)多孔隙的A l2O3顆粒比表面積徑的測(cè)量值要比其他方法的測(cè)量結(jié)果偏小達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上.造成比表面積徑偏小的主要原因是,由于粉體顆?；蚨嗷蛏贂?huì)存在細(xì)微裂縫或與外界連通的孔隙,有些顆粒豐富的內(nèi)表面積甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外表面積;此外,顆粒表面凹凸不平也使得測(cè)量的比表面積偏大,代入公式d=6/ρSw計(jì)算時(shí)使粒徑結(jié)果偏小.另外,顆粒的非球形也是影響測(cè)量結(jié)果的因素之一.由此可見,用比表面積法測(cè)量的粒徑與其他方法測(cè)量的粒徑無可比性.

(4)對(duì)于三種球形粉體而言,顯微鏡法的測(cè)量結(jié)果與其他方法的測(cè)量結(jié)果相比,聚苯乙烯球用四種常用方法測(cè)得的D50值結(jié)果相符合,相對(duì)偏差小于5%,結(jié)果具有可比性;兩玻璃微珠球形粉的中位徑D50值用電阻法、激光衍射法和顯微鏡法測(cè)得的中位徑D50值結(jié)果相符合,結(jié)果具有可比性,但沉降法與這幾種測(cè)量結(jié)果的偏差大于5%,不可比;對(duì)于顆粒形狀不規(guī)則的SiO2粉和A l2O3粉,顯微鏡法測(cè)量的D50值與其他方法測(cè)量的D50值不具有可比性,尤其是SiO2粉的D50值偏差較大.產(chǎn)生偏差的主要原因是由于SiO2粉含有相當(dāng)一部分粒徑小于10μm顆粒(累積含量近30%),而最大顆粒的粒徑大于60 μm.在同一個(gè)顯微鏡圖像中,要同時(shí)測(cè)量大、小顆粒的粒徑,相對(duì)于小顆粒來說,放大倍數(shù)偏小,分辨率不夠高,致使測(cè)量結(jié)果帶來誤差.因此,顯微鏡法不適合測(cè)量粒徑范圍較大且形狀不規(guī)則的粉體粒徑.

4 結(jié) 論

(1)激光衍射法測(cè)試的結(jié)果重復(fù)性好,精度高,適用性強(qiáng).

(2)單分散性的球形顆粒用激光衍射法、電阻法、沉降法、顯微鏡法測(cè)得的中位徑D50值都具有可比性.

(3)粒徑范圍較寬的球形粉體,只有部分測(cè)試方法測(cè)得的中位徑D50值有可比性;非球形的粉末,用不同原理儀器測(cè)得的中位徑值D50值一般不具有可比性.

(4)比表面積法測(cè)試的粒徑值比其它測(cè)試技術(shù)測(cè)得的粒徑值都小,與其它測(cè)試方法的測(cè)量值無可比性.

(5)顯微鏡法不適合測(cè)量粒徑范圍較大且形狀不規(guī)則的粉體粒徑.

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Research of the technology on different characterization of particle size

TAN Li-xin1,CA I Yi-xiang1,YU Zhi-ming2,L IANG Tai-ran1
(1.Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M eta ls,Guangzhou 510650,China;2.College of M ateria ls Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

By comparing several measurement methods of the particle size(PS),such as laser diffraction method,electric-resistivity method,sedimentation method,microscope method and specific surface area method,it is found that the resultsmeasured by laser diffraction method exhibit the best repeatability and high p recision.For the spherical particles w ith narrow PS range,the values of median-particle-size(M PS),D50,measured by the above four methods are comparable.Fo r the spherical particles w ith w ide PS range,the valuesof M PSmeasured by partialmethods are comparable.For the particlesw ith irregular shape,the M PSmeasured by differentmethods are not comparable.The PSmeasured by specific surface area method is relatively small,w hich is not comparable to those obtained from the above four methods.The microscope method is not suitable fo r testing the size of the irregular particles w ith w ide PS range.

particle size measurement;laser diffraction method;sedimentation method;electric-resistivity method;m icroscope method;specific surface area method

TB302.1

A

1673-9981(2011)01-0057-05

2010-09-03

譚立新(1966—),女,廣西貴港人,高級(jí)工程師,碩士.