粒度分析原理與應(yīng)用.ppt

1、粒度分析原理與應(yīng)用,一個(gè)相以細(xì)顆粒狀態(tài)分布在另一相中就構(gòu)成了分散體系，前者稱為分散相，后者稱為分散介質(zhì)。 固體顆粒的松散堆集體通常稱為粉末或粉體。 分散體系和粉末中顆粒的粒度和比表面（單位體積或單位質(zhì)量分散相所具有的表面積）決定著分散體系和粉末的性質(zhì)，因此粒度的測(cè)量在材料科學(xué)的研究中是一種最基本的測(cè)量。,粒度與顆粒形狀,粒度是顆粒在空間范圍所占據(jù)大小的線性尺度。粒度越小，顆粒的微細(xì)程度越大。 表面光滑的球形顆粒只有一個(gè)線性尺度，即其直徑，粒度就是直徑。 非球形顆?；螂m然大體上球形，但表面不光滑的顆粒，則可按某種規(guī)定的線性尺度表示粒度。其中有一些規(guī)定是以某種意義的相當(dāng)球或相當(dāng)圓的直徑作為其粒度的

2、。有些規(guī)定的粒度并不是相當(dāng)球或圓的直徑，也可統(tǒng)稱為顆粒的直徑。,根據(jù)顆粒幾何尺寸規(guī)定的一些粒度,顆粒群粒度分布的圖形和函數(shù)表示,顆粒群是指含有許多顆粒的粉末或分散體系中的分散相。實(shí)際顆粒群所含顆粒的粒度大都有一個(gè)分布范圍。粒度分布范圍越窄，就說(shuō)分布的分散程度越小，其集中度越高。 大多數(shù)顆粒群的粒度分布可以認(rèn)為是連續(xù)的。在實(shí)際測(cè)量中，往往將連續(xù)的粒度分布范圍視為許多個(gè)離散的粒級(jí)，測(cè)出各粒級(jí)中的顆粒個(gè)數(shù)百分比或重量百分比；或測(cè)出小于各粒度的累積個(gè)數(shù)百分比或累積重量百分比。,A.列表法：將粉體粒度分析數(shù)據(jù)列成表格，分別計(jì)算出各粒 級(jí)的百分?jǐn)?shù)和累計(jì)百分?jǐn)?shù)，如下頁(yè)所示。列表法的特點(diǎn)是量化特征突出，但變化

3、趨勢(shì)規(guī)律不直觀。,矩形圖（直方圖）,頻率分布曲線,按/DD矩形圖作一折線或光滑曲線,當(dāng)測(cè)量的粒度間隔D足夠小時(shí)獲得的曲線成為頻率分布曲線. 其意義是:任一粒度間隔內(nèi)顆粒的百分比等于曲線下方該間隔內(nèi)的面積占曲線下方總面積的百分?jǐn)?shù). 三個(gè)特征粒度: 對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)的最多數(shù)徑或最多量徑Dm. 對(duì)應(yīng)于累計(jì)百分?jǐn)?shù)為50%的中位徑D1/2. 平均徑,累計(jì)分布,測(cè)出的累計(jì)百分?jǐn)?shù)與粒度D的關(guān)系可用表格表示,也可用累計(jì)分布曲線表示.累計(jì)分布曲線與頻率分布曲線互為積分與微商的關(guān)系.對(duì)等粒度間隔而言,對(duì)應(yīng)于累計(jì)分布曲線越陡處即d/dD越大處,間隔內(nèi)的百分比就越大.,二 粒度的測(cè)量方式,對(duì)于粒度的測(cè)試方法應(yīng)根據(jù)粉末粒度

4、范圍、顆粒的形態(tài)材質(zhì)以及測(cè)試的目的等不同要求而確定。目前，粉末粒度的測(cè)試方法主要有以下幾種測(cè)試方法： 1.篩分法； 2.顯微鏡法（SEM或TEM）； 3.離心沉降法； 4.激光散射法；,1.篩分法 原理：將被測(cè)樣品經(jīng)過(guò)不同大小 孔徑的篩網(wǎng)過(guò)篩，然后再稱重，結(jié)果 是質(zhì)量對(duì)應(yīng)篩網(wǎng)目數(shù)的分布。篩分法 的測(cè)定范圍：5125，可分 為水篩法、干篩法等。 優(yōu)缺點(diǎn)：篩分法是一種最簡(jiǎn)便的 粒度測(cè)試方法，該方法簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確 性差，較費(fèi)時(shí)，難于測(cè)量粘結(jié)的及團(tuán) 聚的粉末顆粒。,2.顯微鏡法 原理：顯微鏡法包括光學(xué)顯微鏡法和電子顯微鏡法(如SEM/TEM等），二者的測(cè)定原理均是計(jì)數(shù)，即數(shù)出不同粒徑區(qū)間的顆粒個(gè)數(shù)。優(yōu)缺

5、點(diǎn)：直觀性強(qiáng)，是直接觀察顆粒形狀、大小的最好方法，同時(shí)也可判斷顆粒的分散程度；缺點(diǎn)是僅能檢查到比較少的顆粒，有時(shí)不能反映整個(gè)樣品的水平，不適用于質(zhì)量和生產(chǎn)控制等。,3.激光散射法 原理：激光粒度儀是根據(jù)光的散射現(xiàn)象測(cè)量顆粒大小的。顆粒尺寸 越大，散射角越??；顆粒尺寸越小，散射角越大。,優(yōu)缺點(diǎn):(1)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬,適用性廣?，F(xiàn)在先進(jìn)的激光粒度儀的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)11000 （動(dòng)態(tài)范圍是指儀器同時(shí)能測(cè)量的最小顆粒與最大顆粒之比）。 (2)測(cè)量速度快。測(cè)量一個(gè)樣品一般只需12。 (3)測(cè)量精度高,重現(xiàn)性好。 (4)操作方便，不受環(huán)境溫度的影響。 (5)不破壞樣品，又能得到樣品體積的分布。 主要缺點(diǎn):分

6、辨率較低,不適于測(cè)量粒度分布范圍很窄的樣品。,Stokes重力沉降公式,考察一個(gè)球體在無(wú)界流體受重力、浮力和阻力的運(yùn)動(dòng)情況： mdu/dt=W-f-F 其中阻力 F=3Du 其中為流體粘滯系數(shù)，D為球體直徑。當(dāng)F=W-f時(shí)，du/dt=0，球體達(dá)到一恒定的最終沉降速度ust，又稱Stokes速度?？汕蟪鯯tokes速度與球直徑的關(guān)系為： D=18ust/(s-f)1/2 若流體中的物體不是球形,則求出的D稱為該物體的Stokes直徑，一般來(lái)講顆粒經(jīng)過(guò)極短的時(shí)間就可由靜止加速到ust，由u=0達(dá)到u=0.99ust所經(jīng)過(guò)的距離也極短。因此可以認(rèn)為在顆粒沉降的全部距離內(nèi)是以u(píng)st等速沉降的。這是一

7、切重力沉降法計(jì)算粒度的基礎(chǔ)。另外，在利用Stokes公式計(jì)算粒度時(shí)還要考慮到其它因素所引起的修正，例如沉降筒的大小，流體的不連續(xù)性，顆粒的形狀和濃度，布郎運(yùn)動(dòng)和對(duì)流的影響等。,重力沉降法,求粒度分布，就是通過(guò)測(cè)量，根據(jù)Stokes公式計(jì)算出顆粒群的一系列粒度D和與之相應(yīng)的累計(jì)分?jǐn)?shù)(D)或分布函數(shù)F(D)。通常用的沉降法是測(cè)量顆粒群在流體介質(zhì)特別是液體中沉降時(shí)某個(gè)效應(yīng)的變化，而非直接測(cè)量各單個(gè)顆粒的沉降速度來(lái)求粒度分布的。 鋪層方式與均勻懸浮體方式：沉降開(kāi)始時(shí)，顆粒物質(zhì)若都集中于沉降介質(zhì)的頂部，均勻呈一薄層，稱為鋪層。若在介質(zhì)內(nèi)均勻分布，則稱為均勻懸浮體。采用鋪層，所有顆粒可以實(shí)際上視為從同一高

8、度開(kāi)始沉降。,具體測(cè)量中的兩類沉降法,增量法 從沉降介質(zhì)表面算起朝沉降方向的某個(gè)距離，定義為沉降深度h。凡是測(cè)量懸浮體在h處的某個(gè)量隨h和時(shí)間t的變化，都稱為增量法。至于被測(cè)量的量，可以是顆粒重量濃度，也可以是與顆粒重量濃度成正比的其它性質(zhì)。如懸浮體密度與其介質(zhì)密度之差，X光濁度，相應(yīng)薄層兩界面處的壓力差等。 累計(jì)法 它是測(cè)量懸浮體中在一定深度以上所留顆粒的總重的變化，或者是測(cè)量穿過(guò)該深度平面的顆?？傊氐淖兓?均勻懸浮體增量法基本理論,考察以下含三種粒徑顆粒的均勻懸浮液作重力沉降，由開(kāi)始經(jīng)時(shí)間t后懸浮液中濃度分布的情況。有 D=18h/(s-f)gt1/2 由于D1D2D3，所以h1h2h3

9、。 就直徑為D3顆粒而言，起始時(shí)處于任何位置的顆粒在時(shí)間t后都應(yīng)下降h3這么長(zhǎng)的距離。,在深度小于h3的范圍內(nèi)不再含有D3的顆粒 在深度大于h3的任一薄層內(nèi)，即有一定量的D3顆粒離開(kāi)，又有同量的D3顆粒進(jìn)入，故在深度大于h3的范圍內(nèi)， D3顆粒的濃度仍然與起始均勻懸浮液中D3顆粒的濃度相等。 原來(lái)存在于從底部向上高度為h3范圍內(nèi)的D3顆粒，這時(shí)已完全沉積到底部。 實(shí)際被測(cè)懸浮液中的顆粒常可視為是連續(xù)分布的。因此一定時(shí)間t后，上面有一層澄清介質(zhì)，其厚度為相當(dāng)于最小粒徑Dmin的深度hmin。由hmin向下，濃度呈逐漸增加的分布。在某一定的深度h以上的范圍內(nèi)，凡粒徑大于與此h相對(duì)應(yīng)的D的顆粒都不復(fù)

10、存在。 在增量法測(cè)量中，h可以固定，也可以變化。對(duì)測(cè)量區(qū)無(wú)限薄的情況，由以上討論可見(jiàn)，測(cè)量區(qū)中已無(wú)大于D(h,t)的顆粒；凡小于D(h,t)的所有顆粒，其粒度分布和各自對(duì)濃度的貢獻(xiàn)與起始均勻懸浮液中是相同的。這兩點(diǎn)是均勻懸浮液重力沉降增量法計(jì)算粒度分布的基礎(chǔ)。,設(shè)在時(shí)間t，深度h，測(cè)量出懸浮液的顆粒重量濃度或與之成正比的任何性質(zhì)，概以C(h,t)表示；對(duì)于原均勻懸浮液，以C0表示。這樣，樣品對(duì)應(yīng)于Stokes直徑D(h,t)的重量累計(jì)分?jǐn)?shù)為： (D)=C(h,t)/C0 (D)對(duì)D求微商,可以獲得分布函數(shù)F(D)即頻率分布.,消光沉降法,消光沉降法原理:對(duì)于單位體積中含有n個(gè)迎光面積都同為a的

11、懸浮液,若以懸浮液的濁度表示 ln(I0/I)/l=nKa 其中K是顆粒的消光系數(shù)，一般與顆粒尺寸有關(guān)。上式表明，相同強(qiáng)度的平行入射光束經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為l的均勻懸浮液光路后，因衰減達(dá)到的光強(qiáng)I與空白光強(qiáng)（通過(guò)同樣長(zhǎng)度沉降介質(zhì)連同槽壁后的光強(qiáng)）I0的關(guān)系。濁度的數(shù)值等于單位體積中這n個(gè)顆粒的消光截面之和。,在光路中的顆粒大小是不同時(shí),設(shè)光路中單位體積含有某顆粒直徑為Di的顆粒ni個(gè)，該顆粒的迎光截面積ai=iDi2， i是與Di相關(guān)的迎光截面積形狀系數(shù)，其值與顆粒的形狀及其對(duì)光的取向有關(guān)。又顆粒的消光系數(shù)Ki一般隨Di而異。在現(xiàn)在情況 ln(I0/I)/l=niKiiDi2 若令消光度 G log(I

12、0/I) 定義各Gij=G始-G1，G1-G2，Gj-Gk，則 Gij = Gj-Gk=logIk-logIj 將粒度DjDk的平均粒度Di=(Dj+Dk)/2作為粒級(jí)中所有顆粒不同粒度的代表，此粒級(jí)對(duì)消光度的貢獻(xiàn) Gi= Gij = （l/2.303)niKiiDi2 迎光截面積形狀系數(shù)I?？梢约僭O(shè)與粒度Di無(wú)關(guān),則 niDi2 Gi/Ki 故 niDi2/ niDi2 =(Gi/Ki)/ Gi/Ki 由此可獲得表面積分布. niDi3/ niDi3 =(DiGi/Ki)/ DiGi/Ki 可求重量(體積)分布.,離心沉降法,對(duì)于細(xì)顆粒,為了加快其定向運(yùn)動(dòng)的速度從而避免布朗運(yùn)動(dòng)的干擾以及縮短

13、測(cè)定時(shí)間,常采用大得多的離心力代替重力.此時(shí)顆粒在離心力場(chǎng)中沿旋轉(zhuǎn)半徑的方向運(yùn)動(dòng),稱為離心沉降法.介質(zhì)都采用液體,其適用范圍約為100.01m.與重力沉降不同的是,即使轉(zhuǎn)速恒定,對(duì)于一定D的顆粒,離心加速度以及離心沉降速度都與顆粒的離心半徑成正比,即在沉降過(guò)程中一直增加.可計(jì)算出相應(yīng)的計(jì)算粒度的公式為 D=18ln(r/s)/(s-f)2t1/2 目前常用的離心沉降粒度分析設(shè)備大都采用鋪層增量消光法.在離心盤轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下,注入一定量的純沉降介質(zhì),使它進(jìn)入離心盤內(nèi).然后正對(duì)軸心注入少量待測(cè)的懸浮液作為鋪層.在恒定轉(zhuǎn)速下鋪層后,一細(xì)光束在某位置r透過(guò)離心盤及其中的液體,立即記錄透過(guò)光強(qiáng)隨時(shí)間的變化

14、.,優(yōu)缺點(diǎn)：可測(cè)試粒徑0.04m45m 的超細(xì) 粉體粒徑，缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果 易受環(huán)境溫度、操作手法等因素的影響，重復(fù)性不 是很好。,三 離心沉降法的測(cè)試流程,1.配制沉降介質(zhì)和樣品懸浮液 2.測(cè)試參數(shù)設(shè)定 3.注射沉降介質(zhì)和緩沖液 4.注射待測(cè)懸浮液測(cè)試 5.數(shù)據(jù)分析及處理 6.清洗儀器，關(guān)閉電源。,三 離心沉降法的測(cè)試流程,1.配制沉降介質(zhì)和樣品懸浮液 A.沉降介質(zhì)要求： （1）不與樣品發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)； （2）純凈無(wú)雜質(zhì)； （3）使顆粒具有適當(dāng)?shù)某两禒顟B(tài)； （4）不允許對(duì)有機(jī)玻璃圓盤有腐蝕作用； B.（蒸餾水甘油）作分散介質(zhì)時(shí)的甘油比例： （1）粒度較粗（D502m）或

15、密度較大（4g/cm3）40%60%； （2）粒度較細(xì)（ D500.5m）或密度較小(4g/cm3）20%-40%；,三 離心沉降法的測(cè)試流程,C.配制樣品懸浮液： （1）濃度應(yīng)適當(dāng)。一般而言，樣品越細(xì)，所用量越少；樣品越粗，則所用量越多。 （2）均勻分散。添加常用的分散劑焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、丙酮及乙醇等，再在超聲波分散器分散310分鐘之間。,三 離心沉降法的測(cè)試流程,2.測(cè)試 參數(shù)設(shè)置：,三 離心沉降法的測(cè)試流程,3.注射沉降介質(zhì)和緩沖液 A.注射沉降介質(zhì)： 注入量應(yīng)在1530ml之間，不允許少于15ml，也不宜超30ml，否則均易導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)； B.注射緩沖液： 注射沉降介質(zhì)后再向圓盤中

16、注入1ml的緩沖液，以便使顆粒在進(jìn)入沉降介質(zhì)之前有一個(gè)緩沖作用。,三 離心沉降法的測(cè)試流程,4.注射待測(cè)懸浮液進(jìn)行測(cè)試 （1）取樣要均勻有代表性； （2）注入量易控制在0.21.0ml之間；,三 離心沉降法的測(cè)試流程,三 離心沉降法的測(cè)試流程,5.數(shù)據(jù)分析及處理 （1）粒度分級(jí)，固定間隔、任意間隔、等差間隔與等比間隔； （2）圖形參數(shù)設(shè)置，如最小值、最大值及間隔設(shè)置等； （3）測(cè)試比較與合并； （4）結(jié)果保存及打印預(yù)覽設(shè)置等；,三 離心沉降法的測(cè)試流程,三 離心沉降法的測(cè)試流程,三 離心沉降法的測(cè)試流程,6.清洗儀器，關(guān)閉電源。 應(yīng)反復(fù)用蒸餾水或去離子水進(jìn)行清洗，直到洗凈為止！,實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),取樣:粒度分析是通過(guò)對(duì)少量樣品進(jìn)行粒度分布測(cè)定來(lái)表征大量粉體粒度分布狀態(tài)的.因此,要求取樣具有充分的代表性,否則測(cè)試將沒(méi)有任何意義. 沉降介質(zhì):用做沉降介質(zhì)的液體一般要求為(1)不與樣品發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng);(2)對(duì)樣品的表面具有良好的潤(rùn)濕作用;(3)純凈無(wú)雜質(zhì);(4)使顆粒有適當(dāng)?shù)某两禒顟B(tài);(5)不允許對(duì)設(shè)備有腐蝕作用.最常用的介質(zhì)是蒸餾水+甘油.粒度較粗或密度較大時(shí)