粒度分析的基本原理-1

by Seungji Kim, Tuesday, 10th January 2012

粒度分析的基本原理

什么是颗粒？

这个问题看起来非常愚蠢，但在各种粒度分析技术中，这是一个基础问题。分散过程和材料的形状在粒度分析中从一开始就更复杂。

粒径问题

假设你给别人一个火柴盒，让他们说出这个火柴盒的尺寸。人们可能会回答这个火柴盒的尺寸是20*10*5mm。你不能准确地说“火柴盒的尺寸是20mm”，对于复杂形状如沙粒或颜料罐中的色素颗粒来说，这是一个更大的挑战。如果我是质量管理经理，我想要用一个数值来描述颗粒，例如想知道最近生产的产品的平均尺寸是增加还是减少了。这是粒度分析中的基本问题——我们如何能用一个数值来描述一个三维物体？

等效球体

有一种球可以用一个数字来表示。如果我们说一个直径为50μm的球，那它可以准确地表示。但当我们谈到50μm的立方体的棱角和对角线，就无法精确表达。很多有复杂特征的物体可以用一个数来表示。例如，关于体积和表面积的重量是一个特定的数值。所以如果有一种技术可以测量火柴盒的重量，我们可以将其转换为等效球的重量。

记住要计算一个和火柴盒重量相同的球的直径（2r）。这就是等效球理论。我们测量颗粒的特性并假设它们是球状颗粒。因此，得到一个用于表示颗粒的特定数值（球的直径）。

当描述三维物体时，这种方法虽然在控制目的上没有更精确的方法方便，但不需要用3个或更多数值来表示。

我们可以看到这对物体形状的影响是有趣的，并以球状的圆柱体为例。

但如果圆柱体的形状或尺寸发生变化，体积/重量将不同。作为等效球模型，我们至少可以说它变小或变大了。

100 x 20μm 圆柱体的等效球形直径

设想一个圆柱体的直径D1=20μm，高度为100μm。有一个与圆柱体等体积的球，其直径为D2。我们可以通过以下公式计算直径。

高度100μm，直径20μm的圆柱体的球形直径大约是40μm。下表展示了各种比例的圆柱体的球形直径。最后一行是典型的盘状大颗粒，例如粘土颗粒。由于其高20μm，厚度仅0.2μm，通常不会考虑其尺寸。对测量粒子体积的工具来说，我们可能得到大约5μm的答案。因此对于这种回答提出异议的可能性，需要使用其他技术。

这些圆柱体还可以表现为和25μm滤纸一样的尺寸，这时可以说“所有物质都小于25μm”。这些圆柱体由于不同的值，在激光衍射时会表现出不同的结果。

各种测量技术

显然，如果透过显微镜观察颗粒，可以看到它们以二维投影的方式存在，其中的特征可用于测量和描述颗粒的直径。如果我们选择颗粒的最大长轴作为尺寸，便可以说该颗粒是具有最大维度的球状颗粒。类似的，如果使用最小直径或Feter’s直径这样的量度，我们将得到颗粒尺寸的另一种解答。因此，我们必须了解不同技术可以测量颗粒的不同物性（最大长轴、最小长轴、体积、表面积等）。选择不同的测量技术会导致不同的结果。

Figure 3显示了用于描述单颗砂粒的多种解答。每种技术都没有错 – 每种方法都可以测量颗粒的不同性质。就像用厘米或者英寸来测量火柴盒（你量长度而我量宽度！）。

因此，我们只能用相同的测量技术对粉末状材料进行测量并进行比较。这意味着像砂粒这样的颗粒没有标准尺寸。必须通过各技术之间的比较来定义标准。然而，通过每种技术，我们可以获得标准粒度尺寸，并比较应用该技术的设备。

D[4,3]等

假设有三个球，其尺寸为1、2、3单位。三个颗粒之间的平均尺寸是多少？最开始我们可能会说是2。那我们是怎么得到这个答案的呢？我们把所有值加起来，再除以总颗粒数。

这是数值平均（更准确地说是长度平均数）。颗粒的数目可以通过公式来表示。

数学术语中称为D[1,0]。这是因为公式上面的直径项为(d1)并且公式下面没有直径项(d0)。但假如我是催化剂相关的工程师，我可能希望根据表面积来比较这些球。因为更高的表面积能获得更高的催化效率。球的表面积为4πr2。因此以表面积为基础进行比较时，必须计算直径的平方和，然后除以颗粒数，并取平方根来获得平均直径。