粒度測(cè)量方法（基礎(chǔ)課堂）

1、顆粒形狀表征方法 和粒度測(cè)量方法 1應(yīng)用分析 顆粒的形狀對(duì)粉體的物理性能、化學(xué)性能、輸運(yùn)顆粒的形狀對(duì)粉體的物理性能、化學(xué)性能、輸運(yùn) 性能和工藝性能有很大的影響。例如，球形顆粒粉性能和工藝性能有很大的影響。例如，球形顆粒粉 體的流動(dòng)性、填形性好，粉末結(jié)合后材料的均勻性體的流動(dòng)性、填形性好，粉末結(jié)合后材料的均勻性 高。涂料中所用的粉末則希望是片狀顆粒，這樣粉高。涂料中所用的粉末則希望是片狀顆粒，這樣粉 末的覆蓋性就會(huì)較其他形狀的好?？茖W(xué)地描述顆粒末的覆蓋性就會(huì)較其他形狀的好。科學(xué)地描述顆粒 的形狀對(duì)粉體的應(yīng)用會(huì)有很大的幫助。同顆粒大小的形狀對(duì)粉體的應(yīng)用會(huì)有很大的幫助。同顆粒大小 相比，描述顆粒形狀

2、更加困難些。為方便和歸一化相比，描述顆粒形狀更加困難些。為方便和歸一化 起見(jiàn)，人們規(guī)定了某種方法，使形狀的描述量化，起見(jiàn)，人們規(guī)定了某種方法，使形狀的描述量化， 并且是無(wú)量綱的量。這些形狀表征量可統(tǒng)稱(chēng)為形狀并且是無(wú)量綱的量。這些形狀表征量可統(tǒng)稱(chēng)為形狀 因子，主要有以下幾種：因子，主要有以下幾種： 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 顆粒的形狀 2應(yīng)用分析 若以Q表示顆粒的幾何特征，如面積、體積，則Q與顆粒粒徑d的關(guān)系可表示為： p kdQ 式中，式中，k即為形狀系數(shù)。對(duì)于顆粒的面積和體積即為形狀系數(shù)。對(duì)于顆粒的面積和體積 描述，描述，k有兩種主要形式，分別為：有兩種主要形式，分別為： 顆粒大

3、小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 形狀系數(shù)形狀系數(shù) 顆粒形狀顆粒形狀 3應(yīng)用分析 表面形狀因子 2 j Sj d S (j表示征對(duì)于該種粒徑的規(guī)定) 6 立方體 球 與的差別表示顆粒形狀對(duì)于球形的偏離 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 形狀系數(shù)形狀系數(shù) 顆粒形狀顆粒形狀 4應(yīng)用分析 1 6 立方體 球 j j V V 與 的差別表示顆粒形狀對(duì)于球形的偏離 j V 6 3 j V d V j 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 體積形狀因子 形狀系數(shù)形狀系數(shù) 顆粒形狀顆粒形狀 5應(yīng)用分析 SV 表面形狀因子與體積形狀因子的比值表面形狀因子與體積形狀因子的比值 Vj Sj SVj 顆粒大小和形

4、狀表征顆粒大小和形狀表征 比表面積形狀系數(shù) 形狀系數(shù)形狀系數(shù) 顆粒形狀顆粒形狀 6應(yīng)用分析 一些規(guī)則幾何體的形狀因子一些規(guī)則幾何體的形狀因子 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 幾何形狀 球形 (d)/66 圓錐形 (l=b=h=d)0.81/129.7 圓(l=b) h=d l=b h=0.5d l=b h=0.2d l=b h=0.1d 3/2 7/10 3/5 /4 /8 /20 /40 6 8 14 24 立方體 l=b=h616 方柱體 l=b h=b l=b h=0.5b l=b h=0.2b l=b h=0.1b 6 4 2.8 2.4 1 0.5 0.2 0.1 6 8 14

5、 24 S V SV 顆粒形狀顆粒形狀 7應(yīng)用分析 與顆粒等體積的球的表面積與顆粒的表面積之比 2 S V w d d 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 球形度球形度 可以看出： 1. ； 2. 顆粒為球形時(shí)， 達(dá)最大值。 1 w w 顆粒形狀顆粒形狀 8應(yīng)用分析 一些規(guī)則形狀體的球形度一些規(guī)則形狀體的球形度： 球體 =1 圓柱體（d=h） =0.877 立方體 =0.806 正四面體 =0.671 圓柱(d：h=1：10) =0.580 圓板(d：h=10：1) =0.472 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 w w w w w w 顆粒形狀顆粒形狀 9應(yīng)用分析 一個(gè)任意形狀的顆粒，

6、測(cè)得該顆粒的長(zhǎng)、寬、高為一個(gè)任意形狀的顆粒，測(cè)得該顆粒的長(zhǎng)、寬、高為l、b、h，定義方法與前面討，定義方法與前面討 論顆粒大小的三軸徑規(guī)定相同，則：論顆粒大小的三軸徑規(guī)定相同，則： n b m 顆粒的高度 顆粒的寬度 b l n 顆粒的寬度 顆粒的長(zhǎng)度 扁平度 延伸度 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 扁平度扁平度m與延伸度與延伸度n 顆粒形狀顆粒形狀 10應(yīng)用分析 1篩分析法篩分析法 （40mm） 顆粒粒度測(cè)量方法顆粒粒度測(cè)量方法 11應(yīng)用分析 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)篩制：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)篩制：Tyler(Tyler(泰勒泰勒) )標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 單位：目單位：目 目數(shù)為篩網(wǎng)上目數(shù)為篩網(wǎng)上1 1英（英（25.4mm

7、25.4mm）寸長(zhǎng)度內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù)）寸長(zhǎng)度內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù) da m 4 .25 (a，d單位mm) 25.4 a d 12應(yīng)用分析 n 2074.0 得到比得到比200目粗的篩孔尺目粗的篩孔尺 寸寸 得到比得到比200目細(xì)的篩孔尺寸目細(xì)的篩孔尺寸 主模系列: n 2074. 0 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則: 以200目的篩孔尺寸0.074mm為 基準(zhǔn)，乘或除模 （或） ，則得到 n 4 2 n 2 13應(yīng)用分析 副模系列： n 4 2074.0 得到比得到比200目粗的篩孔尺寸目粗的篩孔尺寸 得到比得到比200目細(xì)的篩孔尺寸目細(xì)的篩孔尺寸 n 4 2074. 0 標(biāo)準(zhǔn)篩系列： 32 42 48 60 65 80 100

8、 115 150 170 200 270 325 400 其中最細(xì)的是其中最細(xì)的是400目，孔徑是目，孔徑是38m。 14應(yīng)用分析 統(tǒng)計(jì)量大, 代表性強(qiáng) 便宜 重量分布 下限38微米 人為因素影響大 重復(fù)性差 非規(guī)則形狀粒子誤差 速度慢 15應(yīng)用分析 2.顯微鏡顯微鏡 采用定向徑方法測(cè)量 16應(yīng)用分析 光學(xué)顯微鏡 0.25250m 電子顯微鏡 0.0015m 顯微鏡測(cè)定粒度要求統(tǒng)計(jì)顆粒的總數(shù)： 17應(yīng)用分析 可直接觀察粒子形狀 可直接觀察粒子團(tuán)聚 光學(xué)顯微鏡便宜 代表性差 重復(fù)性差 測(cè)量投影面積直徑 速度慢 18應(yīng)用分析 激光器 激光束 透鏡 樣品池 透鏡 衍射光束 未衍射光束 光傳感器列陣

9、中心傳感器 粉末 3.光衍射法粒度測(cè)試光衍射法粒度測(cè)試 從He-Ne激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡后會(huì)聚在針孔，針孔將濾掉所有的高階 散射光，只讓空間低頻的激光通過(guò)。然后，激光束成為發(fā)散的光束，該光束遇 到傅立葉透鏡后被聚焦。 當(dāng)光入射到顆粒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衍射，小顆粒衍射角大，而大顆粒衍射角小，某當(dāng)光入射到顆粒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衍射，小顆粒衍射角大，而大顆粒衍射角小，某 一衍射角的光強(qiáng)度與相應(yīng)粒度的顆粒多少有關(guān)。一衍射角的光強(qiáng)度與相應(yīng)粒度的顆粒多少有關(guān)。 19應(yīng)用分析 當(dāng)樣品池內(nèi)沒(méi)有顆粒時(shí)，光束將被聚焦在環(huán)形光 電探測(cè)器的中心；當(dāng)樣品池內(nèi)有顆粒樣品時(shí)，會(huì)聚 的光束會(huì)有一部分被顆粒散射到環(huán)形探測(cè)器的各探 測(cè)單元

10、以及大角探測(cè)器上，形成“靶芯”狀的衍射 光 環(huán)，此光環(huán)的半徑與顆粒的大小有關(guān)，衍射光環(huán)的 強(qiáng)度與相關(guān)粒徑顆粒的多少有關(guān)，通過(guò)環(huán)形光電接 受器陣列就可以接受到這些光能信號(hào)，光能信號(hào)通 過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的電流信號(hào)，送給數(shù)據(jù) 采集卡，該卡將電信號(hào)放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送 入 計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用Mie散射理論對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處 理，即得樣品的粒度分布。 20應(yīng)用分析 測(cè)量原理示意圖 21應(yīng)用分析 4 激光衍射 0.050.05500m500m 4 X光小角衍射 0.002 0.0020.1m0.1m 測(cè)量方法 22應(yīng)用分析 目前的激光法粒度儀基本上都同時(shí)應(yīng)目前的激光法粒度儀基本上都同時(shí)應(yīng) 用了夫

11、瑯霍夫用了夫瑯霍夫(Fraunhofer)(Fraunhofer)衍射理論和衍射理論和 米氏米氏(Mie)(Mie)衍射理論，前者適用于顆粒直衍射理論，前者適用于顆粒直 徑遠(yuǎn)大于入射波長(zhǎng)的情況，即用于幾個(gè)徑遠(yuǎn)大于入射波長(zhǎng)的情況，即用于幾個(gè) 微米至幾百微米的測(cè)量；后者用于幾個(gè)微米至幾百微米的測(cè)量；后者用于幾個(gè) 微米以下的測(cè)量。微米以下的測(cè)量。 4激光衍射 23應(yīng)用分析 性能特點(diǎn) 測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)范圍越大越方便，目 前先進(jìn)的激光粒度可以超過(guò)1：1000； 測(cè)量速度快，從進(jìn)樣至輸出測(cè)試報(bào)告，只需 1min，是目前最快的儀器之一； 重復(fù)性好，由于取樣量多，對(duì)同一次取樣進(jìn)行 超過(guò)100次的光電采樣

12、，故測(cè)量的重復(fù)精度很高， 達(dá)1%以?xún)?nèi)； 操作方便，不受環(huán)境溫度影響（相對(duì)于沉降 儀），不存在堵孔問(wèn)題（相對(duì)庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器） 分辨率較低，不宜測(cè)粒度分布過(guò)窄又需要定量 測(cè)量其寬度的樣品如磨料微粉。 24應(yīng)用分析 電阻法顆粒計(jì)數(shù)器 電阻法電阻法(庫(kù)爾特庫(kù)爾特)顆粒計(jì)數(shù)工作原理：顆粒計(jì)數(shù)工作原理： 采用小孔電阻原理，即庫(kù)爾特法 測(cè)量顆粒的大小。如圖，小孔管 浸泡在電解液中。小孔管內(nèi)外各 有一個(gè)電極，電流可以通過(guò)孔管 壁上的小圓孔從陽(yáng)極流到陰極。 小孔管內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，因此 管外的液體將流動(dòng)到管內(nèi)。測(cè)量 時(shí)將顆粒分散到液體中，顆粒就 跟著液體一起流動(dòng)。當(dāng)其經(jīng)過(guò)小 孔時(shí)，小孔的橫截面積變小，兩 電極之間

13、的電阻增大，電壓升高， 產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖。當(dāng)電源是恒 流源時(shí)，可以證明在一定的范圍 內(nèi)脈沖的峰值正比于顆粒體積。 儀器只要準(zhǔn)確測(cè)出每一個(gè)脈沖的 峰值，即可得出各顆粒的大小， 統(tǒng)計(jì)出粒度的分布。 25應(yīng)用分析 庫(kù)爾物顆粒計(jì)數(shù)器是基于小孔電阻原理， 即電阻增量是正比于顆粒體積 小孔內(nèi)電解液的電阻率 小孔橫截面面積 ： S VV S R : 2 26應(yīng)用分析 性能特點(diǎn) 分辨率高，是現(xiàn)有各種粒度儀中最高的； 測(cè)量速度快，一個(gè)樣品只需15s左右； 重復(fù)性好，一次測(cè)1萬(wàn)個(gè)左右顆粒，代表性好， 測(cè)量重復(fù)性較高； 操作簡(jiǎn)便，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)完成； 動(dòng)態(tài)范圍較小，對(duì)同一小孔管約為20：1； 易發(fā)生堵孔故障； 測(cè)量下

14、限不夠小，愈小愈易堵孔，下限為1微米 27應(yīng)用分析 沉降法法粒度測(cè)試沉降法法粒度測(cè)試 測(cè)量原理 在具有一定粘度的粉末懸濁液內(nèi)， 大小不等的顆粒自由沉降時(shí)，其速度 是不同的，顆粒越大沉降速度越快。 如果大小不同的顆粒從同一起點(diǎn)高度 同時(shí)沉降，經(jīng)過(guò)一定距離(時(shí)間)后， 就能將粉末按粒度差別分開(kāi)。 28應(yīng)用分析 4重力沉降 10300m 4離心沉降 0.0110m 測(cè)量方法 29應(yīng)用分析 自然重力狀態(tài)下的自然重力狀態(tài)下的d dt t的函數(shù)（的函數(shù)（StokesStokes） 2 1 0 0 18 gt H d 離心力狀態(tài)下的離心力狀態(tài)下的d dt t函數(shù)函數(shù) 2 1 2 0 120 ln18 t x

15、x d n i idi dNkKII i 1 2 20 loglog 30應(yīng)用分析 顆粒在液體中的沉降狀態(tài)示意圖顆粒在液體中的沉降狀態(tài)示意圖 31應(yīng)用分析 優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量重量分布 代表性強(qiáng) 經(jīng)典理論, 不 同 廠 家儀器結(jié)果對(duì)比性好 價(jià)格比激光衍射法便 宜 缺點(diǎn) 對(duì)于小粒子測(cè)試速度 慢, 重復(fù)性差 非球型粒子誤差大 不適應(yīng)于混合物料 動(dòng)態(tài)范圍比激光衍射 法窄 32應(yīng)用分析 目前市售沉降粒度儀的特點(diǎn) 目前市場(chǎng)上的沉降儀都可在電腦控制下具有 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果打印等功能； 測(cè)試時(shí)間大多在十幾分鐘左右，重復(fù)性誤差 小于4%； 沉降儀為目前粒度測(cè)試的主要手段之一。特 別是在金屬粉末、磨料、造紙涂

16、料、河流泥沙 以及科研教學(xué)領(lǐng)域中一直是主要粒度測(cè)試手段 之一。 33應(yīng)用分析 常見(jiàn)粒度分析方法 統(tǒng)計(jì)方法 代表性強(qiáng), 動(dòng)態(tài)范圍寬 分辨率低 篩分方法 38微米- 沉降方法 0.01-300微米 光學(xué)方法 0.001-3500微米 非統(tǒng)計(jì)方法 分辨率高 代表性差, 動(dòng)態(tài)范圍窄 重復(fù)性差 顯微鏡方法 光學(xué) 1微米- 電子0.001微米- 電域敏感法 0.5-1200微米 34應(yīng)用分析 被測(cè)參數(shù)被測(cè)參數(shù)分分 析析 方方 法法粒度范圍，微米粒度范圍，微米備備 注注 長(zhǎng)度 篩分析 電沉積篩 光學(xué)顯微鏡 電子顯微鏡 全息照相 44 1050 0.5100 0.0015 5500 包括圖象分析 快速 重量 淘洗法 空氣中沉降 液體中沉降 離心沉降 噴射沖擊器 空氣中顆粒拋射 5100 5200 3150 0.01100 0.5 100 顆粒大小和形狀表征顆粒大小和形狀表征 常見(jiàn)粒度分析方法常見(jiàn)粒度分析方法 35應(yīng)用分析 被測(cè)參數(shù)被測(cè)參數(shù)分析方法分析方法粒度范圍，微米粒度范圍，微米備備 注注 橫截面積 激光散射 激光衍射 X 光小角度散射 比濁法 0.0055 0.0550 0.0080.2 0.1100 快速 快速 帶離心裝置 表面積 吸附法 透過(guò)法 擴(kuò)散法 0.00l(米克) 0.01100 0.0050.1 平均值