材料粒度分析

1.粒度表征的价值粒度大小、分布、在介质中的分散性能以及二次粒子的聚集形态等度纳米材料的性能具有重要影响，所以粒度表征是是纳米材料研究的一个重要方面由于纳米材料的特性和重要性，促进了粒度表征方法和技术的发展，纳米粒度表征已经发展成为现代粒度表征的重要领域。粒度分析意义塑料的添加剂直接影响塑料的机械强度、密闭性、阻燃性等性能粒度（大小、形状、分布等）陶瓷材料致密度、韧性涂料着色能力、成膜强度、耐磨性能电子材料荧光粉的粒度决定显示器亮度和清晰度催化剂催化活性☺颗粒粒度的分析技术受到人们的普遍重视，已经逐渐发展成为测量学中的一个重要分支。(3)粒度粒度[2]grainsize，particlesize颗粒的大小。通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。实验室常用的测定物料粒度组成的方法有筛析法、水析法和显微镜法。①筛析法，用于测定250～0.038mm的物料粒度。实验室标准套筛的测定范围为6～0.038mm；②水析法,以颗粒在水中的沉降速度确定颗粒的粒度,用于测定小于0.074mm物料的粒度；③显微镜法，能逐个测定颗粒的投影面积，以确定颗粒的粒度，光学显微镜的测定范围为150～0.4μm，电子显微镜的测定下限粒度可达0.001μm或更小。3.粒度的测定3.粒度测定1．筛分析法（40μm）国际标准筛制：Tyler(泰勒)标准单位：目目数为筛网上1英（25.4mm）寸长度内的网孔数dam4.25(a，d单位mm)25.4adn2074.0得到比200目粗的筛孔尺寸得到比200目细的筛孔尺寸主模系列:n2074.0标准规则:以200目的筛孔尺寸0.074mm为基准，乘或除模（或），则得到n42n2筛分的优缺点优点统计量大,代表性强便宜重量分布缺点下限38微米人为因素影响大重复性差非规则形状粒子误差速度慢2.显微镜采用定向径方法测量光学显微镜0.25——250μm电子显微镜0.001——5μm显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的粉末———10000以上粒度范围窄的粉末———1000左右显微镜方法的优缺点优点可直接观察粒子形状可直接观察粒子团聚光学显微镜便宜缺点代表性差重复性差测量投影面积直径速度慢3.光衍射法粒度测试测量原理当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小，某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。测量原理示意图激光衍射0.05—500μmX光小角衍射0.002—0.1μm测量方法目前的激光法粒度仪基本上都同时应用了夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论和米氏(Mie)衍射理论，前者适用于颗粒直径远大于入射波长的情况，即用于几个微米至几百微米的测量；后者用于几个微米以下的测量。激光衍射§2激光粒度分析法发展史Fraunhofer和Mie等人早在19世纪就已描述了粒子与光的相互作用。20世纪70年代发展起来。（电子技术的发展，激光源的使用）目前它在粒度测试设备中占绝对性的统治地位。优势：不受颗粒材料光学和电学特性参数的影响。表2.1是各种激光粒度分析法相应的原理和优势。由于Fraunhofer衍射理论只适用于颗粒尺寸远大于入射光波长，所以，实际中采用X射线做光源，可大大降低所能测量的颗粒的最小粒径，使测量范围扩大。微米粒度仪使用氦-氖激光源，采用Mie理论的测试范围较采用Fraunhofer衍射原理更宽，结果更精确。但测前要对样品及分散介质的光学参数如折射率等进行设定，并要求颗粒是球形的。多普勒分析可同时测量粒子的粒径分布和粒子流速。光子相关光谱法是应用广泛的一种测量纳米粒度的方法。§2激光粒度分析法激光衍射光谱粒度分析法原理：激光与颗粒（为球体）之间的相互作用。主要理论：Fraunhofer衍射理论，该理论认为衍射的光能分布与粒度分布有关。衍射光的强度I(θ)与颗粒粒径有如下关系：其中θ为散射角，R为颗粒半径，I(θ)为以θ为散射角的光强度，n（R）是颗粒的粒径分布函数，k=2π/λ,λ为激光的波长，J1为第一型贝叶斯函数。假设：所测颗粒为球体。dRRKJRnRIL)()(1)(2102§2激光粒度分析法优点：操作简单，测样时间短缺点：代表性不强，用不同的理论测出的结果不同。激光衍射光谱粒度分析法仪器组成：激光器、扩束镜、聚焦透镜、光电子探测器和计算机如图2-2激光衍射光谱粒度分析法Fraunhofer衍射法优点：速度快、范围广、精度高、重复性好、适用对象广、不受被测颗粒折射率的影响、适于在线测量等优点。注意：只有被测颗粒粒径大于激光光波波长才能处理成Fraunhofer衍射。激光衍射光谱粒度分析法d»λ（d10λ）时，属于Fraunhofer范围。θ为衍射角，b为微粒直径。激光光散射粒度分析法原理：d«λ（d0.1λ）时，属于Rayleigh散射为主的分子散射，照在颗粒上的光均等地向各个方向散射。44VI)()cos1()1(222224420PnrVIIrb/sind～λ时，属于Mie-Gans散射范围，照在颗粒上的光非均匀地散射。其中P(θ)为散射因子，I0为入射光强度，V为球的体积，λ为入射光的波长，r为散射中心O与观察点P的距离，r»λ，nr为相对折射率nr＝n2/n1，θ为散射光与入射光的夹角。仪器的基本组成图2-3基本原理：光照射到粒子上，在粒子的边缘部分发生光散射。被粒子散射的光都聚焦在检测器的非中心区，粒子越小，其产生的散射角越大。激光光散射粒度分析法光散射粒度测试方法的优缺点优点：测量范围广（1nm~300m）、自动化程度高、操作简单、测量速度快、测量准确，重复性好缺点：不能测高浓度的样品；在d～λ时应用的Mie理论，而该理论建立在球形粒子的模型上，因此，在测量非球形时的纳米颗粒时会引起误差。激光光散射粒度分析法光散射技术的发展与展望多种光散射理论结合，以扩大粒度测量范围各种仪器的联用，使颗粒分析的多样化发展多种激光源，可以测量更小的颗粒尺度激光光散射粒度分析法激光相关光谱粒度分析法发展：1919年英国拉曼首先利用相关光研究了溶液中悬浮物颗粒的热扩散布朗运动。随后几十年有关这方面的研究没有取得很大进展20世纪60年代初激光问世后，凯尤曼教授发现，溶液中悬浮物颗粒受激光辐照后，散射光能够给出微粒有关布朗运动的定理信息，开创性地提出光子相关光谱的概念和理论，并根据有些信息计算出微粒的大小。现在，光子相关光谱技术日臻成熟。激光相关光谱粒度分析法可测范围：可直接测量溶液中粒度为纳米量级的悬浮物颗粒。这些颗粒一般是各种形式的大分子，如蛋白质、病毒、酶以及微型乳液中的胶质粒子、层状泡等聚合体。优势：非常简便、快捷、有效的测量颗粒的平均粒度大小、质量、带电量和多分散性等重要参数，而且对样品的密封性好。条件：要得到准确的结果，就必须仔细研究各种噪声因素。包括光源起伏以及样品中杂质的散射光等。3.沉降法法粒度测试测量原理在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越大沉降速度越快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(时间)后，就能将粉末按粒度差别分开。重力沉降10—300μm离心沉降0.01—10μm测量方法优点•测量重量分布•代表性强•经典理论,不同厂家仪器结果对比性好•价格比激光衍射法便宜缺点•对于小粒子测试速度慢,重复性差•非球型粒子误差大•不适应于混合物料•动态范围比激光衍射法窄沉降法方法的优缺点电超声粒度分析法测量范围5nm～100m。原理：当声波在样品内部传导时，仪器能在一个宽范围超声波频率内分析声波的衰减值，通过测得的声波衰减谱可以计算出衰减值与粒度的关系。条件：需颗粒和液体的密度、液体的粘度、颗粒的质量分数等参数，对乳液或胶体中的柔性粒子，还需要颗粒的热膨胀参数。§1前言优点：可测高浓度分散体系和乳液的特征参数（粒径、ξ电位势等）、精度高、粒度分析范围更宽。电超声粒度分析法§1前言常见粒度分析方法统计方法代表性强,动态范围宽分辨率低•筛分方法38微米--•沉降方法0.01-300微米•光学方法0.001-3500微米非统计方法分辨率高代表性差,动态范围窄重复性差•显微镜方法光学1微米--电子0.001微米--•电域敏感法0.5-1200微米被测参数分析方法粒度范围，微米备注长度筛分析电沉积筛光学显微镜电子显微镜全息照相＞4410～500.5～1000.001～55～500包括图象分析快速重量淘洗法空气中沉降液体中沉降离心沉降喷射冲击器空气中颗粒抛射5～1005～2003～1500.01～100＞0.5＞100颗粒大小和形状表征常见粒度分析方法被测参数分析方法粒度范围，微米备注横截面积激光散射激光衍射X光小角度散射比浊法0.005～50.05～500.008～0.20.1～100快速快速带离心装置表面积吸附法透过法扩散法＞0.00l(米２／克)0.01～1000.005～0.1平均值平均值平均值体积库尔特计数器声学法0.2～20050～200快速快速粒度测定方法的选定主要依据以下一些方面：1.颗粒物质的粒度范围；2.方法本身的精度；3.用于常规检验还是进行课题研究。用于常规检验应要求方法快速、可靠、设备经济、操作方便和对生产过程有一定的指导意义；4.取样问题。如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度，样品是否有代表性等；5.要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度；6.颗粒物质本身的性质以及颗粒物质的应用场合。粒度测定方法的选定