联系人:金磊
电 话:86-021-68367991
传 真:86-021-68367992
 
首页 公司介绍 产品展示 新闻动态 技术文章 招聘信息 询价留言 联系我们
  现在是:
  产品搜索
请在下面的文本框中输入产品关键字进行搜索:
 
 
  您所在的位置:上海璟瑞科学仪器有限公司 >>> 解决方案
  产品大类
日本三丰长度类计量仪器
投影仪(投影机,测量投影仪)
工具显微镜
圆度仪
粗糙度仪
轮廓仪(表面形状测定仪)
影像测量仪
海克斯康三坐标测量机
桥式三坐标测量机
超高精度三坐标测量机
龙门式三坐标测量机
水平臂三坐标测量机
车间型三坐标测量机
关节臂三坐标测量机
德国蔡司三坐标测量机
桥式测量机
悬臂式测量机
德国马尔计量仪器
桌面测量仪
大型形状测量仪
万能形状测量仪
便携式粗糙度测量设备
固定式表面测量设备
带计算机表面测量设备
驱动器
传感器
附件
测量显微镜
复合式坐标测量机
光学坐标测量仪
雷尼绍Renishaw三坐标测头/测头座及测针
扫描测头座
自动旋转测头座
手动旋转测头座
接触式测头
扫描式测头
自动交换装置
钢卷尺检定台
光学试验
*产品
通信电缆类测试仪
三向车削测力仪
拉力机
太阳能检测类仪器
其他
智能粉体测试仪
Zwick试验机
 
  解决方案  

粒度分析的基本原理<三>


发布日期:[2010-12-09] 共阅[4266]次
测量方法

        从以前几段中我们看到,每一种测量技术都将的到不同的结果,因为它测量该颗粒的不同方面。我们现在讨论当前应用的几种不同测量方法的相对的优缺点。

 

筛分法

      这是一种古老的方法,其优点是成本低,使用容易等。T.艾伦在《颗粒大小测定》一书中讨论了重复筛分方面的困难,对于很多用户来说筛分法的主要缺点如下:

  • 不能测量射流或乳浊液;
  • 对小于400目(38μ)的干粉很难测量。
  • 测量时间越长,得到的结果就越小,这是因为颗粒不断调整他们自己来通过筛孔,所以要得到一致的结果,必须使测量次数及操作方法标准化。
  • 筛分法是依赖于测量颗粒的次zui小尺寸的,无法得到一个真正的重量分布。在测量杆状物质时这会导致一些奇怪的结果,如对药品扑热息痛的测量就是这样。
  • 标准允许的公差较大。比较ASTM(美国材料实验协会)或BS(英国工业标准)的标准筛尺寸表格可见允许的公差在平均及zui大值之间的差距较大,了解这些情况对使用筛分法及分析测试结果具有指导意义。

 

沉降法

      这是在油漆及陶瓷等工业中应用的一种传统的测量方法,这种测量的原理是以Stokes定律为基础:


        该类设备有象移液管一类的简单的装置,也有带离心机或以X射线做光源的复杂一些的装置。
        对等式18的研究我们可以发现它的缺陷:它需要知道物质的密度,因而这种方法对乳浊液不适合,因为在乳浊液中物质不沉淀,或者密度较大的颗粒沉淀得很快。zui终结果是一个与重量直径(D[4,3])不同的Stokes直径(DST),且只是具有相同沉淀率的颗粒与球体的比较。在分母中的粘度项表明我们须地控制温度变化,温度改变1℃,粘度将会改变2%。
        这一等式可容易地计算出沉降时间。可以看出,在20℃的水中,1微米的SiO2颗粒(密度为2.5)在重力的作用下要经过3.5小时沉淀1厘米。因而该测量进行得很缓慢且还要面临乏味的重复测量。因此考虑到增大g以尽量补救这一缺点。在参考3中讨论了关于增大g的不利条件。关于沉降方法更多具体的批评见参考2。Stokes定律仅适用于那些具有一定特性的球体,这些特性是:这些球体相对于其体积或表面积具有zui紧凑的形状。而具有不规则形状的普通粒子的表面积比球体的表面积大,因而增加了阻力而比他们的等效球体沉降得更慢。 布朗运动位移与重力沉降位移比较(见下表):
 

在1秒内的位移(微米)
粒径 在华氏70度空气中(标准大气压) 在华氏70度水中 在华氏70度空气中
由于布朗运动 由于重力 由于布朗运动 由于重力 r K=100r(%)
0.10
0.25
0.50
1.00
2.50
10.0
29.4
14.2
8.92
5.91
3.58
1.75
1.73
6.30
19.9
69.6
400
1550
2.36
1.49
1.052
0.745
0.334
0.236
0.005
0.0346
0.1384
0.554
13.84
55.4
31.1
3.15
0.556
0.0983
0.00995
0.00031
96.9
75.9
35.7
5.0
1.0
0.03

布朗运动位移与重力沉降位移比较


      对于像高岭土那样呈圆盘形状的物体,情况就更为严重,实际相比会产生很大的偏差。另外对于小的颗粒来说,同时存在重力沉降与布朗运动两种运动状态。由上方的表格列出了这两种运动状态的对比可知,如果用沉降法测量小于2um的颗粒,我们会看到很大的误差(大约为20%)并且对于0.5um的颗粒来说,误差甚至会超过100%。沉降法的缺点如下:

  • 测量速度慢,平均测量时间为25分钟至1小时,测量时间长使得重复测量更加困难,而且增大了颗粒重新聚合的机会。
  • 需要的温度控制,需要防止温度变化导致粘度变化。
  • 不能处理不同密度的混合物。
  • 动态测量范围小。当颗粒小于2μm时,布朗运动起支配作用(占优势);当大于50μm时,沉降变得剧烈以至颗粒不是按照Stokes定律的规律运动。图6还表明一些在沉降法与激光衍射法所得到的结果之间可能的差异。

 

 

电区感应(Coulter 计数器)

        这种技术在20世纪50年代中期发明的,zui早用来测量血球的大小。这些血球实际上是呈单模态悬浮在稀释的电解溶液中。此法原理很简单。在电解溶液中放置一个有小孔的玻璃器皿,使稀释的悬浮液流过该小孔,在小孔两端施加电压。当粒子流过孔洞时,电阻发生了变化,产生电压脉冲。在仪器上测量该脉冲的峰值的高度,然后与标准颗粒的脉冲峰高比较,从而得到被测颗粒的大小。因此这种方法不是一个的方法,它是有比较性质的。对于血球而言,此种方法是不过的,它能得出数量及体积分布,对于工业材料来说此法则存在着如下缺陷:

  • 很难测量乳浊液(射流就更不可能了)。干粉则须悬浮在介质中,因此也不能直接测量。
  • 必须在电解质溶液中测量。对于有机物质这很难,因为不可能在二甲苯,丁醇,及其它的导电性很差的溶液中测量。
  • 此方法需要一些校准标准,而这些标准昂贵且在蒸馏水及电解质溶液中改变了他们的大小(参考2)。
  • 对于有着相对宽广的粒度分布的物质来说,此种方法进行缓慢,因为必须改变小孔的大小且存在着阻塞小孔的危险。
  • 此测量方法的zui低限度由可能的zui小的孔径所限制,当孔径低于约2μm时测量起来很难。所以不可能以0.2μm的孔径来测量更细的颗粒比如TiO2颗粒。
  • 测量多孔的粒子时会得出很大的误差,由于被测量的是粒子的外壳尺寸。
  • 密度较大的物质很难通过小孔,因为他们在此前就已沉降了。
  • 综上所述,这种方法适用于血球的粒度分析,对很多工业物质来说是不可靠的。

 

显微镜检测法

        这是一个很好的方法,因为它使人们得以直接观察颗粒的形状,并可以据此判断分散的效果是否良好或者颗粒有无聚合现象。有趣的是1g密度为2.5,粒度为10μm的粒子竟含有760×106个颗粒,这么多的颗粒我们不可能用显微镜一个一个地单独观察它们。
        但是,当质量或生产控制仅仅依赖上述的简单判断,这是不合适的。相对来说,我们仅可以观察到很少的颗粒,如果以这种非代表性的结果为依据确实是很危险的。另外,如果测量重量分布则误差会更大,因为忽略1个10μm的粒子与忽略1千个1μm的粒子产生的影响是一样的。
        电子显微镜有着复杂的样品制备,因此很慢。人工操作的显微镜,只能观察到为数很少的颗粒(一个的操作人员一天大约可以观察2000个颗粒)。但操作人员极易疲劳,这又是“要测量哪一方面?”的问题了。所以在测量同一样品时操作者与操作者之间的变化性很大。对颗粒的形状表征来说,显微镜检测法仍不失为一个有用的帮助。
 

 

激光衍射法

        称之为小角度激光散射(LALLS)会更准确。在很多表征及质量控制工业中,此法已经成为的粒度测试方法。根据ISO13320其应用范围是0.1—3000μm。在过去的大约20多年里,在这一领域中,该仪器也有了长足的发展。这种方法依据这一现象:衍射角与粒度成反比。该仪器包括如下部件:

  • 激光器:经常用到He-Ne气体激光器,作为持续的、具有固定波长(∧=0.63μm)的光源。因为其稳定性(特别对温度来说)好且在噪音的影响下可以比更高波长的激光二级管得到更好的信号。如果较小的激光二级管可达到600nm或小于600nm,且更为可靠,较为庞大的气体激光器就会被其取代。
  • 相配的探测器。通常是一片带有很多单个探测元件的硅光电探测器。的探测原件的数量是16-32个,太多的元件数量不一定就会提高分辨率。光子相关光谱学技术(PCS)应用在大约1nm-1μm的范围时,被散射的光的强度很低,需要用光电倍增器与信号校正器来感知信号。
  • 使样品通过激光束的一些方法,在实际应用中,可以直接测量汽溶胶射流(把它们喷过光束),这使在传统意义上很困难的测量过程变得非常简单。干粉可以通过压力吹过光柱后被吸入真空清洁器以免尘粒逸入大气。处在悬浮液中的颗粒可以通过在光束前方重复循环来测量。

       落后一些的设备及现在的仪器都只依据弗朗和费近似法,此法假设:

  1. 粒子比所应用的光的波长大许多(ISO13320将此定义为大于40λ,也就是,当使用He-Ne激光器时大25μm)。
  2. 所有颗粒的散射效率相等。
  3. 颗粒是不透明的而且不会传导光。

       这些假设对于很多物质永远都是不正确的。对于小的颗粒会增大误差,以至于接近30%,特别是物质与介质的相对折射率接近于1且粒度接近光波长度时,散射就变成了存在zui大值与zui小值之间的复杂函数。式的仪器(如Malvern 生产的Mastersize2000仪器)充分地利用了米氏理论解了光与物质之间相互作用的方程。这使得在很大的粒度范围内,测试结果都很(典型的是0.02—2000μm)。米氏理论与费氏理论不一样,它把颗粒的体积假想为所预测的投影面积。这种方法虽然但缺点是须知道物质及介质的折射率,并且应知道或者猜出折射率中的吸收部分。但对于大多数用户来说,这不会带来困难,因为这些值已为人们普遍了解或可测量出来。
       激光衍射为zui终用户提供了以下优点:

  • 此方法是立足于基本科学原理的无条件所限的方法。因而没有必要根据标准校准仪器,实际上也没有一种真正的方法来校准激光衍射仪器,它依据的是某个可查的颗粒度标准物质。
  • 宽广的动态测量范围。的激光衍射仪的测量范围是0.12—2000μm。对于较小的颗粒(1nm—1μm)只要该物质没沉降处于悬浮状态,就可根据光子相关光谱学技术来测量。
  • 灵活性。例如,可以在油漆房里测量由喷嘴输出的油漆的量。这已被喷嘴设计者利用来优化粘度、ΔP 、孔眼的尺寸及外形以得到合适的液滴尺寸。这在农业及制药业中应用甚广。请读者参阅参考4、5、6对此作更多的了解。现在对于利用激光衍射所进行的喷射已有了一个ASTM(美国材料实验协会)标准。
  • 尽管分散结果会比用液体分散介质时差一些,但干粉可被直接测量。但其与悬浮液分析结合起来,对确定在干状态下的聚合物质的数量是有意义的。
  • 在重复循环的样品池中可对乳浊液进行测量,其重复性也更高,而且也允许应用分散剂(如0.1%Calgon,用于TiO2溶液的六偏磷酸钠)及表面活化剂来确定zui初(基本)的粒度。由于以上讨论过的原因,如果可能的话*的方法是在悬浮液中测量。
  • 可测量全部的样品。尽管样品很小(典型的,对干粉来说4—10g,对于悬浮溶液来说1—2g)但必须制备有代表性的样品,所有的样品都通过激光束,因而可得到所有的颗粒产生的衍射。
  • 此法没有破坏性,也不会对样品造成污染,因而可回收有价值的样品。
  • 直接产生体积分布,对密度恒定的样品体积分布等于重量分布。这对于化学工程师来说是一个较佳的分布。
  • 这种方法仅在一分钟之内就可产生结果,这意味着工厂可得到快速的反馈,而且重复分析很容易。
  • 重复性好,这意味着测试结果可靠可信,看到测试结果工厂就可以知道他的产品已经真的改变了,而不是仪器“漂移”造成的。
  • 高分辨率,Malvern Mastersizer型仪器可测量在该种设备的测量范围内多达100个粒度级别。



 

参考书目:
  1. 油漆及表面涂层—理论与实践;Ed.R.Lambourne Ellis Horwood.有限公司1993年出版。ISBN 0-13-030974-5PGk
  2. 粒度测试:T.Allen, Chapman&Hall.公司1992年第四版。ISBN 04123570
  3. G.JJ.Beckers,H. J. Veringa公司;粉体技术 60 (1989)245-248页。
  4. J. Ranucci 制药技术;1992年10月出版,第108-114页。
  5. G.Hind; 制造业化学家;1990年,28-30页。
  6. M .W. Wedd; ILASS-欧洲第八届年会,1992年9月30日—10月2日阿姆斯特丹。
  7. T. Hatch & S.P Choate. J. Franklin 学会。1929年369-387页。
  8. Malvern分公司:英国公司 法国公司 美国公司 德国公司 马来西亚公司 瑞典公司 以密度为基础的。

 
上海璟瑞科学仪器有限公司 版权所有 总访问量:140726 地址:上海浦星公路568弄31号(八号线芦恒路站二分钟即到) 邮编:315040
电话:86-021-68367991 传真:86-021-68367992 手机:18958270202 联系人:金磊 邮箱:njr17@126.com
GoogleSitemap 网址:www.chinacmm.com.cn 技术支持:化工仪器网 管理登陆 ICP备案号:沪ICP备2020029694号-1