科普丨粉体粒径和粉体的表征简介

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粉体特征之一就是粒度分布,颗粒的不规则性,尤其是粉体群体颗粒如何表征,一直都有很多种方法,都可以作为参考和借鉴。
研究课题:填料

粉体特征之一就是粒度分布,粒度分布-这个概念和应用发展最早来源于矿业界,矿石经过破碎后进行各种选矿工艺作业,因此颗粒形状和大小对于选矿工艺和设备的影响很大,后期无机非金属粉体行业兴起,逐渐将粒度分布概念引入到粉体行业。颗粒的不规则性,尤其是粉体群体颗粒如何表征,一直都有很多种方法,都可以作为参考和借鉴。

一、单个颗粒的表征:

1.对于规则的单个颗粒,我们可以用形状+维度尺寸来表示。如球行颗粒可用直径一个数值能表述、长方体用长*宽*高、圆锥体用底面直径*高度等。对于近似规则形状,也可以用平均值来表述。

2. 对于非球形颗粒,比如条状、丝状、棒状、片状、放射状等不规则颗粒,如何描述呢?由于形状的千差万别,实际表述很困难,也不容易理解更不容易对颗粒状态规则的研究,因此在学界会采用另外的方法来表述,称之为“等效法”。所谓“等效法”,就是把所有不规则颗粒,全部换算成球形,用球形直径统一作为颗粒的数据表征。 

1)测量法:通过对颗粒多维度的直径尺寸测量,对数据进行平均,得到一个平均数值,这个就当作球形颗粒的等效直径。

2)投影法:就是将颗粒各个方向投影到一个平面上,积分计算平面的面积而换算成直径,最终将数值平均就作为球形颗粒的等效直径。

3)水力沉降法:流体力学中的斯托克斯公式(Vg=d2(?s- ?l)/18?,颗粒在介质中的沉降速度与颗粒直径有关。因此在很多场合,在液体水中,计算颗粒沉降速度可以得到一个等效直径。

4)在某些对形状要求描述的场合,会对形状用其他数据辅助,如长径比、球形度、径厚比等。

二、群体颗粒(粉体)的表征:

1.无论是物理方法还是化学方法加工的粉体,单个颗粒直径,从大到小呈现近似连续的状态,而且无一例外的都符合正态分布规律。因此用个体颗粒的等效直径显然无法表述粉体的颗粒呈现状态。

2.为了表述粉体群体的特征,粒度分布的概念就被涉及出来。所谓粒度分布,就是表述个体颗粒直径从大到小在群里中的占比。由于颗粒的直径呈现连续状态,一般会用将直径进行分段,比如100-50um\50-20um\20-10um\10-5um\5-0um,这个分段根据实际用途进行,不是固定的,然后计算出各段直径颗粒在总粉体中的比例,比如重量比、数量比等,如:100-50um(10%)\50-20um(27%)\20-10um(35%)\10-5un(25%)\5-0um(8%)。这样基本可以描述粉体颗粒大小的分布状态,但是在实际运用中还是比较复杂,于是学者又采用了累积分布的概念,分为正累计和负累积,就是大于某个直径或者小于某个直径的颗粒占比,如上例子所示正累积可以表述为;

>0um=100%,>5um=92%,>10um=67%,>20um=37%,>50um=10%,>100um=100%;

负累积可以表述为:

<100um=100%,<50um=90%,<20um=63%,<10um=33%,<5um=8%,<0um=0%

以上的占比和累积,可以多分段后做成连续曲线,然后再曲线上任意取点,找到直径和占比已经正负累积的对应的数值。

3.通常我们常用的是负累积,比如d97=20um,表述的是直径小于20um的颗粒在粉体中占比97%。

4. 在无机非金属粉体中,常用d50\d97(d98)\d10来尽量表述,也有细分领域要求1um\2um\8um\10um占比的数量来表述。比如,造纸涂布就要求2um含量大于90%和60%两个级别。

5.现在粒度仪能够给出占比和累积曲线,因此也可以实际在曲线中查询任意累积比和粒径对应的数值,这就是所谓粒度分布。从个体颗粒描述到粉体的粒度分布的表征,已经用最简单的方法更靠近于各个学科领域中理论研究。

三、粒度分布的测定:

粒度分布的测定方法,也因为使用人需求的精度有所不同。

1.筛分法:利用不同尺寸的网孔进行筛分,计算筛上和筛下重量占比。比如有的企业就是用325目标准筛进行筛上计算,是我们通常理解的筛余量。不同行业甚至同一个行业,使用的筛网测试也不一样,比如有的用150目、200目、400目、500目、600目筛子进行筛余检查,以确定粉体是否合格,有的用筛余进行粉体细度的划分标准。这没有对和错,仅仅是一种约定的方法而已。

2.水力沉降法:一种是粉体和水按固定量进行充分搅拌混合,静置然后计算澄清水面的下降速度作为一个标准;另外就是充分混合后,静置在固定的量筒中,固定时间(一般在2小时以上),计算最终的沉降体积,进而得到润湿堆积密度,作为粉体细度的标准。

3.堆积密度法;因为不同细度的粉体,堆积密度有所不同,堆积密度也常用来控制和检查粉体的细度,堆积密度测试一般分别自然堆积密度、振实堆积密度、润湿堆积密度。

4.刮板细度:刮板细度计有各个规格,一般主要用于检测最大颗粒尺寸,目前在油漆行业还在普遍应用。

5.激光衍射法;激光通过粉体形成衍射,然后利用计算模型计算中连续的粒度分布,由于制造精度和计算模型影响,激光粒度仪测试数据可能会有较大差异。

6.X光沉降法:粉体和水混合后,再离心力作用下,加速沉降,X光通过混合体后强度衰减来计算沉降速度进而计算粒径分布状态。

由于测试方法多样,粒度表征又没有唯一的方法和数值,所以百家争鸣吧,但是作为使用者,可以多角度多方法判断粉体的粒度分布情况。随着材料和计算机的发展,目前已经出现在线检测仪器。



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