粒度分析的基本概念与知识

粒度测试的基本概念和基本知识

前言

1.什么是颗粒？

颗粒是具有一定尺寸和形状的微小的物体，是组成粉体的基本单元。它宏观很小，但微观却包含大量的分子、原子。

2.什么叫粒度？

颗粒的大小称为颗粒的粒度。

3.什么叫粒度分布？

不同粒径的颗粒分别占粉体总量的百分比叫做粒度分布。

4.常见的粒度分布的表示方法？

•表格法：用列表的方式表示粒径所对应的百分比含量。通常有区间分布和累计分布。

•图形法：用直方图和曲线等图形方式表示粒度分布的方法。

5.什么是粒径？

颗粒的直径叫做粒径，一般以微米或纳米为单位来表示粒径大小。

6.什么是等效粒径？

当一个颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时，我们就用该球形颗粒的直径来代表这个实际颗粒的直径。根据不同的测量方法，等效粒径可具体分为下列几种：

•等效体积径：即与所测颗粒具有相同体积的同质球形颗粒的直径。激光法所测粒径一般认为是等效体积径。

•等效沉速粒径：即与所测颗粒具有相同沉降速度的同质球形颗粒的直径。重力沉降法、离心沉降法所测的粒径为等效沉速粒径，也叫Stokes径。

•等效电阻径：即在一定条件下与所测颗粒具有相同电阻的同质球形颗粒的直径。库尔特法所测的粒径就是等效电阻粒径。

•等效投影面积径：即与所测颗粒具有相同的投影面积的球形颗粒的直径。图像法所测的粒径即为等效投影面积直径。

7.为什么要用等效粒径概念？

由于实际颗粒的形状通常为非球形的，因此难以直接用粒径这个值来表示其大小，而直径又是描述一个几何体大小的最简单的一个量，于是采用等效粒径的概念。简单地说，粒径就是颗粒的直径。从几何学常识我们知道，只有圆球形的几何体才有直径，其他形状的几何体并没有直径，如多角形、多棱形、棒形、片形等不规则形状的颗粒是不存在真实直径的。但是，由于粒径是描述颗粒大小的所有概念中最简单、直观、容易量化的一个量，所以在实际的粒度分布测量过程中，人们还都是用粒径来描述颗粒大小的。一方面不规则形状并不存在真实的直径，另一方面又用粒径这个概念来表示它的大小，这似乎是矛盾的。其实，在粒度分布测量过程中所说的粒径并非颗粒的真实直径，而是虚拟的“等效直径”。等效直径是当被测颗粒的某一物理特性与某一直径的同质球体最相近时，就把该球体的直径作为被测颗粒的等效直径。就是说大多数情况下粒度仪所测的粒径是一种等效意义上的粒径。

不同原理的粒度仪器依据不同的颗粒特性做等效对比。如沉降式粒度仪是依据颗粒的沉降速度作等效对比，所测的粒径为等效沉速径，即用与被测颗粒具有相同沉降速度的同质球形颗粒的直径来代表实际颗粒的大小。激光粒度仪是利用颗粒对激光的散射特性作等效对比，所测出的等效粒径为等效散射粒径，即用与实际被测颗粒具有相同散射效果的球形颗粒的直径来代表这个实际颗粒的大小。当被测颗粒为球形时，其等效粒径就是它的实际直径。

8.平均径、D50、最频粒径

定义这三个术语是很重要的，它们在统计及粒度分析中常常被用到。

•平均径：

表示颗粒平均大小的数据。有很多不同的平均值的算法，如D[4，3]等。根据不同的仪器所测量的粒度分布，平均粒径分、体积平均径、面积平均径、长度平均径、数量平均径等。

•D50：

也叫中位径或中值粒径，这是一个表示粒度大小的典型值，该值准确地将总体划分为二等份，也就是说有50%的颗粒超过此值，有50%的颗粒低于此值。如果一个样品的D50=5μm，说明在

组成该样品的所有粒径的颗粒中，大于5μm的颗粒占50％，小于5μm的颗粒也占50％。

•最频粒径：

是频率分布曲线的最高点对应的粒径值。设想这是一般的分布或高斯分布。则平均值，中值和最频值将恰好处在同一位置，如下图。但是，如果这种分布是双峰分布，则平均直径几乎恰恰在这

两个峰的中间。实际上并不存在具有该粒度的

颗粒。中值直径将位于偏向两个分布中的较高

的那个分布1%，因为这是把分布精确地分成

二等份的点。最频值将位于最高曲线顶部对应

的粒径。由此可见，平均值、中值和最频值有

时是相同的，有时是不同的，这取决于样品的

粒度分布的形态。

•D[4,3]是体积或质量动量平均值。

•D[V,0.5]是体积(v)中值直径，有时表示为D50或D0.5

•D[3,2]是表面积动量平均值。

9.D[4,3]的物理意义是什么？

对于一般意义上的平均值，是以一个累加值与数量之间的比值，称为算术平均值。如果用这种平均值的计算方法计算颗粒的平均粒径，就需要知道颗粒数。假设1克尺寸都是1μ的二氧化硅颗粒，大约有760109个颗粒，如此数量巨大的颗粒数是无法准确测量的，所以无法用上述方法计算颗粒的平均径。因此在计算粒度平均径时引入动量平均的概念，一下两个最重要的动量平均径：

•D[3，2]—表面积动量平均径。

•D[4，3]—体积或质量动量平均径。

这些平均径是在直径中引入另一个线性项——表面积与d3，体积及质量与d4有如下关系：

此种计算方法的优点是显而易见的。一是公式中不包含颗粒的数量，因此可以在不知道颗粒数量的情况下计算平均值；二是能更好地反映颗粒质量对系统的影响。让我们举一个简单的例子：两个直径分别为1和10的球体，它们的算术平均径是D（1,0）=（1+10）/2=5.5。但是如果直径为1的球体的质量为1，直径为10的球体的质量就是1000。也就是说，即使丢掉粒径为1的球体，也仅损失总质量的0.1%。因此简单的算术平均值5.5不能精确的反映颗粒质量对系统的影响，用D[4，3]就能很好地反映颗粒质量对系统的影响。

两个直径分别为1和10的球体，其质量或体积动量平均径为：

10.各种平均径的计算方法及意义

如果我们用图像法测量颗粒的直径，这就像用尺子量颗粒的直径。把所有颗粒直径相加后被颗粒数量除，得到的平均粒径D[1，0]，叫长度平均径；如果我们得到颗粒的平面图像，通过测量每一颗粒的面积并将它们累加后除以颗粒数量，得到的平均径D[2，0]叫做面积平均径；如果采用电阻法粒度仪，就可以测量每一颗粒的体积，将所有颗粒的体积累加后除以颗粒的数量，得到的平均径D[3，0]叫做体积平均径。用激光法可以得到D[4，3]，也叫体积平均径。如果粉体密度是恒定的，体积平均径与重量平均径是一致的。由于不同的粒度测试技术都是对颗粒不同特性的测量，所以每一种技术都很会产生一个不同的平均径而且它们都是正确的。这就难免给人造成误解与困惑。假设3个球体其直径分别为1，2，3，那么不同方法计算出的平均径就大不相同：