超细粉体.

超细粉体制备技术授课教师：袁明亮中文版EnglishVersion如有任何意见或建议，请联系[e-mail]第2章颗粒的表征2.1颗粒的粒径颗粒、粉体、粉粒体颗粒的大小用其在空间范围所占据的线性尺寸表示。球形颗粒的直径就是粒径(particlediameter)。非球形颗粒的粒径则可用球体、立方体或长方体的代表尺寸表示。其中，用球体的直径表示不规则颗粒的粒径，称为当量直径或相当径(quivalentdiameter).当量直径与颗粒的各种物理现象相对应。2.1颗粒的粒径多颗粒系统由大量的单颗粒所组成，其中包括粉体、雾滴和气泡群。在多颗粒系统中，一般将颗粒的平均大小称为粒径（particlesize）．习惯上可将粒径和粒度二词通用。粒度和粒径是颗粒几何性质的一维表示，是最基本的几何特征。2.1颗粒的粒径2.1.1粒径的定义2.1.1.1三轴径（diameterofthethreedimensions)将一颗粒放置于每边与其相切的长方体中，如图2一1所示，图2一1颗粒的外接长方体2.1颗粒的粒径长方体的三条边表示该颗粒在笛卡尔坐标中的大小。长l宽b和高h称为颗粒的三轴径。三轴径可用于比较不规则形状颗粒的大小。由三轴径计算的各种平均径及其物理意义如表2一1所示。2.1颗粒的粒径2.1.1.2投影径(projecteddiameter)利用显微镜测量颗粒的粒径时，可观察到颗粒的投影。如图2-2所示。因此按其投影的大小定义粒径，．(a)二轴径：颗粒投影的外接矩形的长l和宽b称为二轴径参见图2一1。(b)定方向平行线径(Feret径)：与颗粒投影相切的两条平行线之间的距离称为Feret径，如图2一2(a)所示．2.1颗粒的粒径(c)定方向面积等分径(Martin径)：在一定方向上将颗粒投影面积分为两等份的直径，如图2一2(b）所示。(d)定方向最大直径(Krumbein径)：在一定方向上颗粒投影的最大长度，见图2一2(c)，(e)投影面积相当径(Heywood径)：与颗粒投影面积相等的圆的直径，又称当量直径，见图2一2(d)(f).投影周长相当径：与颗粒周长相等的圆的直径，此径常用于考察颗粒的形状。2.1颗粒的粒径2.1.1.3球当量直径(a）等表面积（球）相当径(equivalentsurfacediameter)：与颗粒等表面积球的直径，外表面积S＝πD2s。(b)等体积（球）相当径(equivalentvolumediameter)：与颗粒体积相等的球的直径，记作Dv，颗粒体积V=(π/6)Dv2.1颗粒的粒径(c)等比表面积（球）相当径（equivalentspecificsurfacediameter）：与颗粒等比表面积的球的直径，Dsv＝D3v/D2s(d)沉降速度相当径（settingvelocitydiameter）：与颗粒沉降速度相同的球的直径，在层流区称为Stokes径，Newton径，这里颗粒与球体的密度应相同.2.1.1.4筛分径(sievingdiameter)当颗粒通过筛网并停留在细筛网上时，粗细筛孔的算术或几何平均值称为筛分径。2.1.1.5颗粒投影的其他径由图像分析定义的其他粒径，参阅2.2中的颗粒形状的有关部分。2.1颗粒的粒径2.1.2粒径的物理意义同一种颗粒，由于采用不同的测量方法，得到的粒径值不尽相同，因此有必要了解各粒径之间的关系．2.1.2.1Feret径、Martin径、投影面积相当径图2一3示出Feret径DFMartin径DM和投影面积相当径DH的测量结果。由图可见，上述三种粒径之间存在下面的关系：DF＞DH＞DM2.1颗粒的粒径2.1颗粒的粒径2.1.2.2Caucy定理Caucy定理指出颗粒表面积S与平均投影面积A的4倍相等：S＝4A=πDH（2－1）上式中的常数4称为Caucy系数。DH为等面积当量径。由于放在平面上的颗粒总是处于稳定的位子上，颗粒的投影并非完全随机，所以Caucy系数的实测值约为3.1～3.4。式（2-1）还给出投影面积相当径与颗粒外表面积的定量关系。2.1颗粒的粒径2.1.3粒径分布颗粒系统的径粒相等时（如标准颗粒），可用单一粒径表示其大小。这类颗粒称为单粒度体系（monodisperse）。实际颗粒大都由粒度不等的颗粒组成，这类颗粒称为多粒度体系polydisperse）。粒径分布（particlediameterdistribution），又称粒度分布。粒度分布一般用简单的表格、绘图和函数形式表示颗粒群粒径的分布状态。2.1颗粒的粒径2.1.3.1频率分布和累积分布颗粒粒径分布常表示成频率分布和积累分布的形式。频率分布表示各个粒径相对的颗粒百分含量（微分型）。累积分布表示小于（或大于）某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系（积分型）。百分含量的基准可用颗粒个数、体积、质量以及长度和面积。2.1颗粒的粒径2.1颗粒的粒径表2-3（P8）中分别列出用表格形式表示的颗粒频率分布和累积分布，每种分布都采用了两种基准：个数基准和质量基准。2.1.3.2粒径分布的函数表示1）正态分布2）对数正态分布若颗粒的粒径分布符合对数正态分析，可计算颗粒的比表面积和平均粒径。D50的概念2.1颗粒的粒径2.1.4平均粒径2.1.4.1平均粒径的定义设颗粒群由粒径d1d2,d3，……组成的集合体，其物理特性f(d)可用各粒径函数的加成表示：f(d)=f(d1)+f(d2)+f(d3)＋……+f(dn)(2一2)式中f(d)称为定义函数．若将粒径不等的颗粒群想像成由直径D组成的均一球形颗粒，那么其物理特性可表示为：f(d)=f(D)(2一3)上式为平均粒径的基本式，D表示平均粒径．2.1颗粒的粒径2.1.4.2主要的平均粒径如果颗粒粒径遵循某种规律并可用函数表示，平均粒径可由函数表达式计算。下面列举一些涉及平均粒径的表达式，见表2一5(p13)，其中n为颗粒数，d表示粒径，ρp是密度。1)颗粒群的总长Σ(n·d)(2一4)2)颗粒群的总表面积Σ(n·6·d2)(2一5)3)颗粒群的总体积(总重量)Σ(n·d3)ρpΣ(n·d3)(2一6)4)颗粒群的比表面积Σ(n·6·d2)/Σ(n·d3)(2一7)5)平均比表面积Σ(n·6/d)/Σn(2一8)上式中假设颗粒为边长d的立方体。2.2颗粒的形状2.2颗粒的形状2.2.1颗粒形状概述2.2.1.1意义颗粒的几何性质包括:粒度、形状、表面结构和孔结构。颗粒的形状对颗粒群的许多性质都有影响，比表面积、流动性、磁性、固着力、增强性、填充性、研磨特性和化学活性。为了确保产品的某些优良性能，工业上对产品和添加剂的颗粒形状有不同的要求。一些应用实例见表2一72.2颗粒的形状2.2.1.2颗粒形状术语颗粒的形状是指一个颗粒的轮廓或表面上各点所构成的图像。由于颗粒形状的差异，描述颗粒形状的方法可分为两类：文字语言术语、图形语言和数学语言。表2－8列出描述颗粒形状的术语。某些术语并不能精确地描述颗粒的形状，但它们大致地反映了颗社形状的某些特征，因此，这些术语至今在工程中仍然被广泛使用。2.2颗粒的形状2.2.1.3颗粒形状的几何表示数学语言描述颗粒的几何形状，除特殊场合需要三种数据以外，一般至少需要两种数据及其组合。通常使用的数据包括:A三轴方向颗粒大小的代表值，B二维图像投影的轮廓曲线，C表面积,D体积等立体几何各有关数据。习惯上将颗粒大小的各种无因次组合称为形状指数(shapeindex),立体几何各变量的关系则定义为形状系数(shapefactor)。表2一9给出颗粒形状的分类名称、基准、几何形状、指标名称和所使用的数据种类。此表概括了使用数学语言描述颗粒几何形状的方法。2.2颗粒的形状2.2.2形状指数和形状系数2.2.2.1单一颗粒的形状三轴方向测得其最大值L,B,T.其中：T-厚度(thickness).上下两平面所挟颗粒的距离B-短径距离，L-长径．将一个颗粒置于显微镜的载玻片上时，我们可以沿横向和纵向两个方向测得该颗粒的线性长度，其中较大的值就是长径L,较小值就是短径B。参见图2一82.2颗粒的形状2.2.2:2均齐度(proprotion)颗粒两个外形尺寸的比值称为均齐度，或称作比率。2.2.2:3充满度(spacefillingfactor)体积充满度定义为颗粒外接长方体的体积与该颗粒体积之比。面积充满度定义为颗粒投影外接矩形的面积与其投影面积A之比。2.2.2.4球形度(degreeofsphericity)球形度，或称真球度，表示颗粒接近球体的程度。2.2.2.5圆形度(degreeofcircularity)圆形度定义了颗粒的投影与圆接近的程度2.2颗粒的形状2.2.2.6圆角度(roundness)圆角度表示颗粒棱角磨损的程度2.2.2.7表面指数（surfacefactor)2.2.2.8形状系数(shapefactor)Q=KD(2一40)上式中的K称为形状系数(shapefactor).体积形状系数表面积形状系数比表面积形状系数几种规则形状颗粒的形状系数如表2一102.2.2.9基于轮廓曲线的形状指数由颗粒二维投影图像的轮廓曲线，可计算展开径D及各种相当径、平均径，如等周长相当径D。2.3颗粒粒度和形状的测量方法2.3颗粒粒度和形状的测量方法2.3.1颗粒粒度的测量2.3.1.1概述颗粒的粒度和形状能显著影响粉末及其产品的性质和用途。例如，水泥的强度与细度有关，磨料的粒度和粒度分布决定其质量等级，粉碎和分级也需要测量粒度。随着纳米级材料的发展，人们对粒度测量提出了更高的要求。已经发展了多种粒度测量方法，2.3颗粒粒度和形状的测量方法电磁振动和音波振动电磁振动筛分机用于较粗的颗粒（大于40μm的颗粒）。音波振动式筛分机用于更细颗粒的筛分。筛分法虽然可以得到粒度分布的直方图，但因使用的筛数有限，其结果精度不高。目前，筛分法仅限于测量大颗粒的粒度分布，此法有逐渐被专用的粒度仪取代的趋势。应当指出，筛分仍然是一种分级的有效手段，应用也很普遍。2.3颗粒粒度和形状的测量方法流体透过法一般采用空气，使其通过粉末料层，由空气的流速、压力降等参数计算粉末的表面积，然后得到粉末的平均粒径。得不到粉末的粒度分布，此法将逐步被专用的粒度仪代替。BET法测量颗粒的粒度，一般来说结果是不准确的，只能供参考。比重计法、比重天平和沉降天平这些仪器不适合细颗粒的测量，费时太多，所以也逐渐被淘汰了。库尔特粒度仪或称为库尔特计数器，可测量悬浮液中颗粒的大小和个数。粒度下限0.3μm。2.3颗粒粒度和形状的测量方法2.3.1.2沉降法光透过原理与沉降法相结合，产生一大类粒度仪，称为光透过沉降粒度仪。根据光源不同，可细分为可见光（白光）、激光和X光等不同类型；按力场不同又细分为重力场和离心力场两类。当一束光通过盛有悬浮液的测量池时，一部分光被反射或吸仅有一部分光到达光电传感器，后者将光强转变成电信号。根Lambert一Beer公式，透过光强与悬浮液的浓度或颗粒的投影成一定的关系。另一方面，颗粒在力场中沉降，可用斯托克斯定律计算其粒径大小，从而得到累积粒度分布。2.3颗粒粒度和形状的测量方法(a)重力场光透过沉降法本方法测量范围为0.1-1000μm.有的仪器以可见光为光源，有的仪器以X光为光源．重力场光透过沉降法测量范围为0.1-1000μm.X光源的粒度仪可直接测得颗粒的体积直径，结果准确可靠，分辨率高，适合各种金属或无机粉末的测量。由于原子序数12以下的物料，例如碳、石墨、金刚石及有机化合物不吸收X射线，所以这类物料不能使用X光源，而应使用可见光。颗粒的沉降速度与颗粒与悬浮介质（例如水）的密度差有关，当密度差大时沉降速