粉末粒度测试方法与未来发展方向.pdf

1 0 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 粉末粒度测试方法与未来发展方向 王梦雨 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要介绍粉末粒度的测定方法及其适用的领域，以及纳米粉末粒度测试方法的发展方向。 关键词粒度；测试；纳米粉末 中图分类号T F l 2 2 ．1文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S o 一0 1 0 8 0 4 T h eM e a s u r i n gM e t h o d sa n dD e v e l o p m e n tT r e a do fP a r t i c l eS i z eo fP o w d e r W A N GM e n g - - y u B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e a s u r i n gm e t h o d so fp a r t i c l es i z eo fn a n o m e t e rp o w d e ra n di t sa p p l i e df i e l d ，a sw e l la si t sd e v e l ． o p m e n tt r e n da r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ． K e y w o r d s P a r t i c l es i z e ；T e s t ；N a n o m e t e rp o w d e r 描述粉末颗粒的几何特点主要有颗粒大小、形 状、表面积等。其中粉末颗粒的大小或粒度和粒度 分布最为重要。它在很大程度上决定了粉末颗粒加 工工艺和效率，是设备选型以及工艺过程控制的基 本依据，对物料的应用而言，粉末的粒度及其分布是 重要的物理机械性能之一。目前对粉末颗粒粒度的 描述和测定方法很多，各种方法所得出的粒度值也 不同，有的相差甚远，但各种方法也有其适用的领 域。 超细粉末是指颗粒尺寸界于宏观物体和原子簇 之间的一类介质系统，已广泛应用到催化剂、火箭推 进剂、火炸药、碳纤维石墨武器、水泥陶瓷等方面。 颗粒的大小不同，所发挥的作用也不同。例如若使 用纳米级镍粉作火箭固体燃料反应触媒，燃料速率 可提高1 0 0 倍。医药领域正在研制一种治疗感冒的 粉剂药，粒度 1 ．5 灶m ，可直接为鼻腔粘膜吸收。 因此颗粒的粒度分布是超细粉体的一项关键性的物 理性能指标。 1 粉末粒度的描述方法 1 ．1 演算直径 作者简介王梦雨 1 9 7 6 一 ，女，黑龙江人，助理工程师 此种方法是基于粉末颗粒都为球形或立方体颗 粒这一假设，对于不规则粉末颗粒，将其体积等同于 同体积的球形或立方体颗粒，将该球形颗粒的直径 或立方体颗粒的轴径 作为其直径 或轴径 。 1 ．2 筛分析 筛分析法是一种最传统的最简便的粒度测试方 法，利用一套不同孔径的筛子使颗粒通过不同尺寸 的筛孔来测试粒度的，筛分析法分干筛和湿筛两种 形式，可以用单个筛子来控制单一粒径颗粒的通过 率，也可以用多个筛子叠加起来同时测量多个粒径 颗粒的通过率，并计算出百分数。一般适用于粒度 大于4 5 弘m 的普通粉末。该方法简单，但准确性 差，较费时，难于测量粘结的及团聚的粉末颗粒。目 前按不同标准有不同的筛系，我国的国标与T Y L E S 筛制基本相同。 1 ．3 沉降分析 沉降法是粒度测试中经常采取的方法之一，通 过测定颗粒在流体介质中的沉降速度按斯托克斯公 式来计算粒度。沉降法不适用于测量粒度小于2 肛m 的样品，这是因为超细颗粒的布朗运动以及颗 粒再凝聚的作用对测量结果产生了较大的影响，难 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊1 0 9 以得到准确的粒度数值。沉降分析得到的粒度是颗 粒的当量直径，即采用与测试颗粒具有相同沉降速 度的理想圆球体的直径来表示被测颗粒的粒度，而 实际粉样极少是由相同密度的圆球体组成的，因此 得到的“粒度”数据并不是粉料的实际数值。 1 ．4 微束分析法 微束分析法是利用透射电镜、扫描电镜、电子探 针等精密仪器所产生的高能电子束激发粉末颗粒， 通过接收、处理背散射电子、二次电子像等信息获得 颗粒的放大后的形貌图，经人工统计或自动测量附 件，即可得到粒度数据。由于该方法测试程度相对 繁琐、费用昂贵，就粒度测试工作来说，目前仍未得 到普遍应用。 微束分析法的尽管费用昂贵，但微束分析技术 显示的高分辨能力仍然使一些产品的研制必须应用 该方法进行粒度分析，特别是近年来计算机技术与 图像分析技术的联用，已成为工艺矿物学中定量测 试技术的发展趋势，且目前已呈现出卓有成效的成 果，如“颗粒重心法”实现了矿物与颗粒样品的自动 定量，也为粒度和解离度的自动测定奠定了基础。 1 ．5 激光粒度测试仪 激光粒度测试仪悬浮液中的微细颗粒受激光照 射后产生衍射，以镜头系统聚焦，并在焦平面上形成 与所测粉料粒度分布相关的光场，该光场以光电探 测器检测，处理后即可换算出粒度分布数据，该仪器 在测定和数据处理过程全部自动完成，简捷方便，目 前正广泛应用于各行业微粉粒度测试和生产过程的 载流分析。由于这种方法也是将粉体当成理想圆球 体计算粒度数据的，且要求被测颗粒在介质中得到 良好分散，而实际粉料极少是标准的圆球体，绝大多 数超细粒微粉又会发生较明显的团聚作用。因此对 各种纳米粉末在激光粒度测试仪测试前必须做些研 究工作，在测试后利用光学显微镜校验，寻找出相应 的修正系数，否则其粒度数据是不可靠的。 1 ．6 显微镜法 显微镜法是一种颗粒度观察测定的绝对方法， 因而具有可靠性和直观性。是直接观察颗粒形状、 大小的最好方法，同时利用这种方法可以判断颗粒 的分散程度。光学显微镜由于受到分辨率的限制， 能够测量的颗粒范围一般是0 ．8 ～1 5 0 “m ，对于更 细的颗粒甚至是纳米颗粒可采用电子显微镜或高分 辨率的场发射电子显微镜，但它对制样的要求高、操 作复杂、价格昂贵。显微镜法由于只能检查到比较 少的颗粒，有时不能反映整个样品的水平，因此不适 用于质量和生产控制。 1 ．7 显微图像法 显微图像法由显微镜、C C D 摄像头 或数码相 机 、图形采集卡、计算机等部分组成。它的基本工 作原理是将显微镜放大后的颗粒图像通过C C D 摄 像头和图形采集卡传输到计算机中，由计算机对这 些图像进行边缘识别等处理，计算出每个颗粒的投 影面积，根据等效投影面积原理得出每个颗粒的粒 径，再统计出所设定的粒径区间的颗粒的数量，就可 以得到粒度分布了。由于这种方法单次所测到的颗 粒个数较少，对同一个样品可以通过更换视场的方 法进行多次测量来提高测试结果的真实性。但由于 采用显微镜分辨率的限制，对纳米颗粒的测定常常 无法适用。 1 ．8 电场感应法 库尔特计数器法 这是一种比较精确且被广泛使用的方法，它不 受颗粒材质、形貌、折射率以及光学特性的影响，几 乎适用于所有类型的颗粒测量。电场感应法测量的 是样品等体积径的平均值和分布值，但对于带孔颗 粒的测试存在较大误差，并且对于粒度分布较宽的 样品，较难得出准确的分析，因为这种方法的原理是 要求样品中所有颗粒悬浮在电解液中，而大颗粒容 易沉降。 1 ．9 电超声粒度分析法 电超声粒度分析法是最新出现的粒度分析法， 粒度测量范围为5 ～1 0 0n m ，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，计算出衰减值与 粒度的关系。其优点是可测高浓度分散体系和乳液 的特性参数 包括粒径和电位势等 ，不需要稀释，避 免了激光粒度分析法不能分析高浓度分散体系粒度 的缺陷，且精度高，粒度分析范围更宽。但分析中需 要知道粒子和液体的密度、液体的黏度、粒子的质量 分数等参数，对乳液或胶体中的柔性粒子还需要粒 子的热膨胀参数等。 2纳米粉末粒度测试方法及发展方向 纳米颗粒或超微颗粒是指其粒度尺寸介于1 ～ 1 0 0n m 的粒子，属于非宏观、非微观的中间层次出 现了许多独特的性质和规律，因而展现出特有的光、 磁、电、热和催化等性质，在催化、滤光、光吸收、医 药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。由 于纳米颗粒尺寸直接影响着其各种性质，故纳米检 测与表征在纳米科技中是功用性很强的代表性的研 万方数据 1 1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 究领域，是纳米科技得以发展的必要条件。纳米测 量技术是纳米技术领域的基础之一，是当今高科技 研究领域的发展重点。 纳米颗粒样品的粒度测量实际操作是比较简单 的，但要得到真实的粒度结果却是比较困难的，粒度 测量的关键技术在于样品的分散。纳米颗粒表面能 特别大，易聚集为二次粒子。当样品为干粉时，进行 粒度测量前，必须选择适宜的分散介质 一般为水 和分散剂 表面活性剂 ，制备成分散悬浮液，并借助 于搅拌、超声波等进行分散处理，使聚集颗粒分散为 原始粒子，并使原始粒子在分散液中保持良好的分 散状态。实际上，粒度仪测量所得的粒度分布，均为 表观粒度结果，即聚集颗粒的粒度分布，并非原始粒 子的。 超细粉状新材料的不断开发，必然要求粒度测 试工作愈趋完善，体现在数据准确可靠、信息量大， 操作简单快捷、自动化程度高，成本低。因此，纳米 粉末粒度测试今后的发展方向将是 ①多学科专业技术的密切合作，从软件、硬件、 测试条件等全方位改进现有物理场干扰型仪器 如 激光粒度分析测试仪 或研制开发新的物理场干扰 型仪器。 ②图像分析技术与微束分析技术的密切联合， 解决纳米粉末粒度测试分析中可能碰到的一些困 难。 ③光学显微镜法在不断克服自身缺陷的基础上 显示出重要作用，尤其是它与图像分析技术的密切 合作，将发展成微粉粒度分析中最有前途的一种实 用技术。 3总结 随着科学技术的进步，粒度测试方法和仪器正 向更加自动化和智能化的方向发展，粒度测试仪器 的适用动态范围将更宽，在线分析将成为未来发展 的趋势，粒子微观结构和组织形貌的描绘也会成为 可能。通常的测量仪器都有准确性方面的指标，由 于粒度测试的特殊性，通常用真实性来表示准确性 方面的含义。由于粒度测试所测得的粒径为等效粒 径，对同一个颗粒，不同的等效方法可能会得到不同 的等效粒径。可见，由于测量方法不同，同一个颗粒 可以得到几个不同的结果。也就是说，一个不规则 形状的颗粒，如果用一个数值来表示它的大小时，这 个数值不是唯一的，而是有一系列的数值。而每一 种测试方法都是针对颗粒的某一个特定方面进行 的，所得到的数值是所有能表示颗粒大小的一系列 数值中的一个，所以相同样品用不同的粒度测试方 法得到的结果有所不同是客观原因造成的。 目前，x 一射线衍射线宽法是测定纳米颗粒晶 粒度的最好方法；电镜观察法是最直观的测量纳米 粒子颗粒度的方法，同时还可观察纳米粒子的形貌 甚至结构，因此是观测纳米粒子颗粒度的最好方法； 激光粒度分析仪给出的是纳米粒子的分布情况；沉 降法、X 一射线小角散射以及比表面积法测量的是大 量纳米粒子的平均值；扫描探针显微术则是近1 0 年 来逐渐发展起来的一种新技术，可以直接测量纳米 粒子的形态和粒径，但由于对S P M 校验的研究尚处 于探索阶段，直接影响了其测量的应用。测量者应 根据不同的要求及条件选择适当的纳米颗粒测量方 法。 参考文献 【1 ] 胡荣泽．粉末颗粒和孔隙的测量[ M ] ．北京冶金工业 出版社，1 9 8 2 ． [ 2 ] 黄培去．粉末冶金原理[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 7 1 3 3 1 3 5 ． [ 3 ] 张立德，牟季美．纳米材料和纳米结构[ M ] ．北京科学 出版社，2 0 0 1 ． [ 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