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 ～ 100 μm , 離心沉降可測(cè)量的粒徑范圍為0 .05 ～ 5 μm .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Mie 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。
2 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 。
 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)),Al2O3 粉和SiO2 粉均為不規(guī)則形狀的顆粒.Al2O3 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10 μm 以下的小顆粒及60 μm 的大顆粒(圖1）。
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 l2 O3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, 由于粉體顆粒或多或少會(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Al2O3 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10 μm 顆粒(累積含量近30 %), 而最大顆粒的粒徑大于60μm .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.
作者：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)
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