[科普中国]-粒度分析

粒径的基本概念

“颗粒”的定义：

“Any condensed-phase tridimensional discontinuity in a dispersed system may generally be considered a particle…”

（在一个分散系统中独立的三维个体通常被认为是一个颗粒）

粒度2：

颗粒的大小称为粒度，一般颗粒的大小又以直径表示 , 故也称为粒径。用一定方法反映出一系列不同粒径区间颗粒分别占试样总量的百分比称为粒度分布。

晶粒：指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。

一次颗粒：指含有低孔隙率的一种独立的粒子。它能被电子显微镜观察到。

团聚体：是由一次颗粒为降低表面势能而通过范德华力或固定的桥键作用形成的更大颗粒。团聚体内含有相互连接的孔隙网络，它能被电子显微镜观察到。

二次颗粒：指人为制造的粉料团聚粒子。

等效直径：

不规则形状的颗粒，颗粒大小取决于测定方法；

每种测定方法仅表征某种特定的物理参数（长度，面积，体积，沉降速度等）；

将该被测物理参数与球形颗粒等效，即为等效直径；

等效直径有多种：筛分直径，Stokes直径，投影直径，体积直径，面积直径，Feret直径等；

有相同直径的颗粒，形状可能完全不同；

粒度分布测量需要足够多的颗粒统计分析3。

种类和适用范围显微镜法(Microscopy)SEM、TEM；1nm～5μm范围。适合纳米材料的粒度大小和形貌分析。

沉降****法(Sedimentation Size Analysis) 沉降法的原理是基于颗粒在悬浮体系时，颗粒本身重力(或所受离心力)、所受浮力和黏滞阻力三者平衡，并且黏滞力服从斯托克斯定律来实施测定的，此时颗粒在悬浮体系中以恒定速度沉降，且沉降速度与粒度大小的平方成正比。10nm～20μm的颗粒。

光散射法(Light Scattering)激光衍射式粒度仪仅对粒度在5μm以上的样品分析较准确，而动态光散射粒度仪则对粒度在5μm以下的纳米样品分析准确。

激光光散射法可以测量20nm－3500μm的粒度分布，获得的是等效球体积分布，测量准确，速度快，代表性强，重复性好，适合混合物料的测量。

利用光子相干光谱方法可以测量1nm－3000nm范围的粒度分布，特别适合超细纳米材料的粒度分析研究。测量体积分布，准确性高，测量速度快，动态范围宽，可以研究分散体系的稳定性。其缺点是不适用于粒度分布宽的样品测定。

光散射粒度测试方法测量范围广,现在最先进的激光光散射粒度测试仪可以测量1nm～3000μm,基本满足了超细粉体技术的要求。

测定速度快,自动化程度高,操作简单。一般只需1~1.5min4。

测量准确,重现性好。

可以获得粒度分布。

激光相干光谱粒度分析法通过光子相关光谱（PCS）法，可以测量粒子的迁移速率。而液体中的纳米颗粒以布朗运动为主，其运动速度取决于粒径，温度和粘度等因素。在恒定的温度和粘度条件下，通过光子相关光谱（PCS）法测定颗粒的迁移速率就可以获得相应的颗粒粒度分布5。

光子相关光谱(pcs)技术能够测量粒度度为纳米量级的悬浮物粒子,它在纳米材料，生物工程、药物学以及微生物领域有广泛的应用前景。

电镜法粒度分析优点是可以提供颗粒大小，分布以及形状的数据。此外，一般测量颗粒的大小可以从1纳米到几个微米数量级6。

并且给的是颗粒图像的直观数据，容易理解。但其缺点是样品制备过程会对结果产生严重影响，如样品制备的分散性，直接会影响电镜观察质量和分析结果。电镜取样量少，会产生取样过程的非代表性。

适合电镜法粒度分析的仪器主要有扫描电镜和透射电镜。普通扫描电镜的颗粒分辨率一般在6nm左右，场发射扫描电镜的分辨率可以达到0.5nm。

扫描电镜对纳米粉体样品可以进行溶液分散法制样，也可以直接进行干粉制样。对样品制备的要求比较低，但由于电镜对样品有求有一定的导电性能，因此，对于非导电性样品需要进行表面蒸镀导电层如表面蒸金，蒸碳等。一般颗粒在10纳米以下的样品比较不能蒸金，因为金颗粒的大小在8纳米左右，会产生干扰的，应采取蒸碳方式。

扫描电镜有很大的扫描范围，原则上从1nm到mm量级均可以用扫描电镜进行粒度分析。而对于透射电镜，由于需要电子束透过样品，因此，适用的粒度分析范围在1-300nm之间。

对于电镜法粒度分析还可以和电镜的其他技术连用，可以实现对颗粒成份和晶体结构的测定，这是其他粒度分析法不能实现的。

沉降法沉降法又分为：沉降天平、光透沉降、离心沉降等7。

斯托克斯Stokes 定律 ： 根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方法。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液，悬浮液中的颗粒在重力或离心力作用下将发生沉降。大颗粒的沉降速度较快，小颗粒的沉降速度较慢。斯托克斯Stokes 定律是沉降法粒度测试的基本理论依据；

该法在涂料和陶瓷等工业中是一种传统的粉体粒径测试方法。已制定的国际标准 ( ISO 3262 Extenders for Paint Specifications andMethods of Test) 对涂料中常用的 21 种体质颜料的粒度分布测试方法 , 测试原理均基于沉降法。

筛分法按照被测试样的粒径大小及分布范围，将大小不同筛孔的筛子叠放在一起进行筛分，收集各个筛子的筛余量，称量求得被测试样以重量计的颗粒粒径分布。

优点 ：成本低，使用容易。

缺点 ：对小于400目（38um）的干粉很难测量。不能测量射流或乳浊液；在测量针状样品时这会得到一些奇怪的结果。难以给出详细的粒度分布；操作复杂，结果受人为因素影响较大；所谓某某粉体多少目，是指用该目数的筛筛分后的筛余量小于某给定值。如果不指明筛余量，“目”的含义是模糊的，给沟通带来不便。

超声粒度分析超声波发生端（RF Generator）8发出一定频率和强度的超声波，经过测试区域，到达信号接收端（RF Detector）。当颗粒通过测试区域时，由于不同大小的颗粒对声波的吸收程度不同，在接收端上得到的声波的衰减程度也就不一样，根据颗粒大小同超声波强度衰减之间的关系，得到颗粒的粒度分布，同时还可测得体系的固含量。

射线小角散射法射线的波长比纳米还要短，因此X射线小角散射是一种测量纳米颗粒的理想方法。

颗粒图像法颗粒图像法有静态、动态两种测试方法：

静态方式使用改装的显微镜系统，配合高清晰摄像机，将颗粒样品的图像直观的反映到电脑屏幕上，配合相关的计算机软件可进行颗粒大小、形状、整体分布等属性的计算；

动态方式具有形貌和粒径分布双重分析能力。重建了全新循环分散系统和软件数据处理模块，解决了静态颗粒图像仪的制样繁琐、采样代表性差、颗粒粘连等缺陷；

空气透过技术原理：粉末样品的气体透过能力与粉末的比表面有关，籍此求出样品的比表面积并由此得到颗粒的平均粒度

样品要求：均匀干燥，形状等轴性好，施压时不易变形，破碎或聚结

取样量应为试样真密度的两倍以上，且真密度已知

常用于质量或生产控制的基本判断，设备简单，操作方便

缺点：分辨率低，重现性差，人为因素影响较大

意义在现实生活中，有很多领域诸如能源、材料、医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等都与材料的粒度分子息息相关7。在高分子材料方面，如聚乙烯树脂是一种多毛细孔的粉状物质，其性质和性能不仅受分子特征（分子量、分子量分布、链结构）影响，而且与分子形态学特征（如颗粒表面形貌、平均粒度、粒度分布）有密切的关系。聚乙烯的分子和形态学又决定了聚合物成型加工时的特征和制品性能。研究表明，树脂的颗粒形态好、平均粒径适中、粒度分布均匀有利于聚合物成型加工，因此，人们往往需要对聚氯乙烯树脂进行粒度分析测试。在纳米添加剂改性塑料方面，在塑料中添加纳米材料作为塑料的填充材料，不仅可以增加塑料的机械强度，还可以增加塑料对气体的密闭性能以及增加阻燃等性能。这些性能的体现直接和添加的纳米材料的形状、颗粒大小以及分布等因素有着密切关系。因此，必须对这些纳米添加剂进行颗粒度的表征和分析。

在现代陶瓷材料方面，纳米颗粒构成的功能陶瓷是陶瓷材料研究的重要方向。通过使用纳米材料形成功能陶瓷可以显著改变功能陶瓷的物理化学性能，如韧性。陶瓷粉体材料的许多重要特性均由颗粒的平均粒度及粒度分布等参数所决定。在涂料领域，颜料粒度决定其着色能力，添加剂的颗粒大小决定了成膜强度和耐磨性能。在电子材料领域，荧光粉粒度决定电视机、监视器等屏幕的显示亮度和清晰度。在催化剂领域，催化剂的粒度、分布以及形貌也部分地决定其催化活性。因此，随着科学技术发展，有关颗粒粒度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支重要分支。

新进展随着纳米材料在高心技术产业、国防、医药等领域的广泛应用，颗粒测量技术将向测量下限低、测量范围广、测量准确度和精确度高、重现性好等方向发展。因此，对颗粒测量技术的要求也越来越高。综观各种颗粒测量方法和技术，为适应颗粒粒度分析的更高要求，光散射法、基于颗粒布朗运动的测量方法和质谱法等颗粒粒度分析手段将更加完善并得到更广泛的应用。为了适合纳米科技发展的需要，纳米材料的粒度分析方法逐步成为粒度分析的重要内容。适合纳米材料粒度分析的方法主要是激光动态光散射粒度分析法和光子相关光谱分析法，其测量颗粒最小粒径可以达到20nm和1nm。