粉体表征与测量

粉体工程绪论•粉末的表征与测量•粉末制取•粉末成形•粉末固结绪论粉体工程学科的形成粉体工程的应用范围颗粒粉体绪论Fineparticle颗粒从个体颗粒出发，称为颗粒学Powder粉体从集合粉体出发，称为粉体工程学绪论粉体工程所涉及的行业行业用途农业粮食加工、化肥、粉剂农药、饲料、人工降雨催凝剂矿业金属矿石的粉碎研磨、非金属矿深加工、低品位矿物利用冶金粉末冶金、冶金原料处理、冶金废渣利用、硬质合金生产橡胶固体填料、补强材料、废旧橡胶制品的再生利用塑料塑料原料制备、增强填料、粉末塑料制品、塑料喷涂造纸造纸填料、涂布造纸用超细浆料、纤维状增强填料印刷油墨生产、铜金粉、喷墨打印墨汁、激光打印和复印碳粉药物粉剂、注射剂、中药精细化、定向药物载体、喷雾施药绪论行业用途化工涂料、油漆、催化剂、原料处理食品粮食加工、调味料、保健食品、食品添加剂颜料偶氮颜料、氧化铁系列颜料、氧化铬系列能源煤粉燃烧、固体火箭推进剂、水煤浆电子电子浆料、集成电路基片、电子涂料、荧光粉建材水泥、建筑陶瓷生产、复合材料、木粉精细陶瓷梯度材料、金属与陶瓷复合材料、颗粒表面改性环保脱硫用超细碳酸钙、固体废弃物的再生利用、粉状污水处理剂机械粒度砂、微粉磨料、超硬材料、固体润滑剂、铸造型砂绪论粉末的表征与测量颗粒大小和形状表征粉体特性的表征粉体的粒度与比表面测定§1.1颗粒大小和形状表征材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元——颗粒，进行详细描述。颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征直径D直径D、高度H？颗粒的大小颗粒大小颗粒大小和形状表征人为规定了一些所谓尺寸的表征方法三轴径定向径当量径颗粒大小高度h：颗粒最低势能态时正视投影图的高度宽度b：颗粒俯视投影图的最小平行线夹距长度l：颗粒俯视投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距颗粒大小和形状表征三轴径设，图中颗粒处于一水小平面上，其正视和俯视投影图如图所示。这样在两个投影图中，就能定义一组描述颗粒大小的几何量：高、宽、长，定义规则如下颗粒大小hbl颗粒大小和形状表征颗粒大小三轴几何平均径：与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长3lbh三轴平均径计算公式颗粒大小和形状表征3hbl三轴算术平均值：立体图形的算术平均hbl1113三轴调和平均径：与颗粒外接长方体比表面积相等的球的直径或立方体的一边长颗粒大小沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种粒径名称定义定方向径（Feret径）沿一定方向测得颗粒投影的两平行线的距离。定方向等分径（Martin径）沿一定方向将颗粒投影像面积等分的线段长度定向最大径沿一定方向测定颗粒投影像所得最大宽度的线段长度颗粒大小和形状表征颗粒大小定向径S1S2定向最大径Martin径Feret径颗粒大小和形状表征对于一个颗粒，随方向而异，定向径可取其所有方向的平均值；对取向随机的颗粒群，可沿一个方向测定。颗粒大小颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径颗粒大小和形状表征当量径等效圆球体积直径颗粒大小等体积球当量径与颗粒同体积球的直径36vvd等表面积球当量径与颗粒等表面积球的直径ssd颗粒大小和形状表征颗粒大小比表面积球当量径与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表面的球的直径236svddsvsvd投影圆当量径Heywood径与颗粒投影面积相等的圆的直径aad4等周长圆当量径与颗粒投影圆形周长相等的圆的直径lld颗粒大小和形状表征颗粒大小等效体积直径等效表面积直径等效重量直径最短直径最长直径等效沉降速率直径筛分直径颗粒大小颗粒大小和形状表征以上各种粒径是纯粹的几何表征量，描述了颗粒在三维空间中的线性尺度。在实际粉末颗粒测量中，还有依据物理测量原理，例如运动阻力，介质中的运动速度等获得的颗粒粒径，这时的粒径已经失去了通常的几何学大小的概念，而转化为材料物理性能的描述。因此，除球体以外的任何形状的颗粒并没有一个绝对的粒径值，描述它的大小必须要同时说明依据的规则和测量的方法。颗粒大小和形状表征颗粒大小颗粒的形状对粉体的物理性能、化学性能、输运性能和工艺性能有很大的影响。例如，球形颗粒粉体的流动性、填形性好，粉末结合后材料的均匀性高。涂料中所用的粉末则希望是片状颗粒，这样粉末的覆盖性就会较其他形状的好。科学地描述颗粒的形状对粉体的应用会有很大的帮助。同颗粒大小相比，描述颗粒形状更加困难些。为方便和归一化起见，人们规定了某种方法，使形状的描述量化，并且是无量纲的量。这些形状表征量可统称为形状因子，主要有以下几种：颗粒大小和形状表征颗粒的形状与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比2SVwdd颗粒大小和形状表征球形度可以看出：1.；2.颗粒为球形时，达最大值。1ww颗粒形状一些规则形状体的球形度：球体=1圆柱体（d=h）=0.877立方体=0.806正四面体=0.671圆柱(d：h=1：10)=0.580圆板(d：h=10：1)=0.472颗粒大小和形状表征wwwwww颗粒形状一个任意形状的颗粒，测得该颗粒的长、宽、高为l、b、h，定义方法与前面讨论颗粒大小的三轴径规定相同，则：nbm颗粒的高度颗粒的宽度bln颗粒的宽度颗粒的长度扁平度延伸度颗粒大小和形状表征扁平度m与延伸度n颗粒形状若以Q表示颗粒的几何特征，如面积、体积，则Q与颗粒粒径d的关系可表示为：pkdQ式中，k即为形状系数。对于颗粒的面积和体积描述，k有两种主要形式，分别为：颗粒大小和形状表征形状系数颗粒形状•表面形状因子2jSjdS(j表示征对于该种粒径的规定)6立方体球与π的差别表示颗粒形状对于球形的偏离颗粒大小和形状表征形状系数颗粒形状16立方体球jjVV与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离jV63jVdVj颗粒大小和形状表征•体积形状因子形状系数颗粒形状SV表面形状因子与体积形状因子的比值VjSjSVj颗粒大小和形状表征•比表面积形状系数形状系数颗粒形状一些规则几何体的形状因子颗粒大小和形状表征几何形状球形(d)ππ/66圆锥形(l=b=h=d)0.81ππ/129.7圆(l=b)h=dl=bh=0.5dl=bh=0.2dl=bh=0.1d3π/2π7π/103π/5π/4π/8π/20π/40681424立方体l=b=h616方柱体l=bh=bl=bh=0.5bl=bh=0.2bl=bh=0.1b642.82.410.50.20.1681424SVSV颗粒形状§1.2粉体的特性表征1粉体的平均粒径2粒度分布3粒度测定4粉体的比表面积与测量原理①算术平均径nndda②长度平均径ndnddl2③面积平均径nndds2粉体的特性表征粉体平均粒径计算公式粉体的平均粒径粉体的平均粒径①体积平均径33nnddV②体面积平均径23ndnddVS③质量平均径34ndnddwwvsvsladddddd粉体的特性表征粉体的平均粒径粒度分布依据的统计基准：①个数基准分布(又称频度分布)以每一粒径间隔内的颗粒数占颗粒总数n的比例。②长度基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和nd的比例。③面积基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的总表面积2nd的比例。④重量基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总重量占全部颗粒的总重量3nd的比例。粉体的特性表征粒度分布例：以显微镜观察测量粉体的Feret径（测量总数为1000个）级别粒径间隔（μm）颗粒数频度（f%）累计百分数11～2393.93.922～3717.111.033～4888.819.844～514214.234.055～617317.351.366～721821.873.177～815115.188.288～9787.896.099～10323.299.21010～1180.8100频度%粒度频度%粒度正态分布：2202)(exp21)(dddf（–∞d+∞）——中位径，统计学中的数学期望值——标准偏差0d粒度测定1．筛分析法（40μm）国际标准筛制：Tyler(泰勒)标准单位：目目数为筛网上1英（25.4mm）寸长度内的网孔数dam4.25(a，d单位mm)25.4adn2074.0得到比200目粗的筛孔尺寸得到比200目细的筛孔尺寸主模系列:n2074.0标准规则:以200目的筛孔尺寸0.074mm为基准，乘或除模（或），则得到n42n2副模系列：n42074.0得到比200目粗的筛孔尺寸得到比200目细的筛孔尺寸n42074.0标准筛系列：324248606580100115150170200270325400其中最细的是400目，孔径是38μm。筛分的优缺点优点•统计量大,代表性强•便宜•重量分布缺点•下限38微米•人为因素影响大•重复性差•非规则形状粒子误差•速度慢2.显微镜采用定向径方法测量光学显微镜0.25——250μm电子显微镜0.001——5μm显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的粉末———10000以上粒度范围窄的粉末———1000左右显微镜方法的优缺点优点•可直接观察粒子形状•可直接观察粒子团聚•光学显微镜便宜缺点•代表性差•重复性差•测量投影面积直径•速度慢3.光衍射法粒度测试测量原理当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小，某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。测量原理示意图激光衍射0.05—500μmX光小角衍射0.002—0.1μm测量方法目前的激光法粒度仪基本上都同时应用了夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论和米氏(Mie)衍射理论，前者适用于颗粒直径远大于入射波长的情况，即用于几个微米至几百微米的测量；后者用于几个微米以下的测量。激光衍射激光衍射法原理图激光器激光束透镜样品池透镜衍射光束未衍射光束光传感器列阵中心传感器粉末4.电传感法粒度测试测量原理当一个小颗粒通过小孔时，所产生的电感应，即电压脉冲与颗粒的体积成正比。无颗粒时单元的电阻AlRt)(有颗粒时单元的电阻][1lalaAsfR3dR仪器对脉冲计数并归档，即可计算出有关粒度参量3.沉降法法粒度测试测量原理在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越大沉降速度越快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(时间)后，就能将粉末按粒度差别分开。测量原理示意图t=0t=t1t=t2t=t3光吸收率时间t1t2t30重力沉降10—300μm离心沉降0.01—10μm测量方法自然重力状态下的d～t的函数（Stokes）210018gtHd离心力状态下的d～t函数2120120ln18txxdniididNkKIIi1220loglog优点•测量重量分布•代表性强•经典理论,不同厂家仪器结果对比性好•价格比激光衍射法便宜缺点•对于小粒子测试速度慢,重复性差•非球型粒子误差大•不适应于混合物料•动态范围比激光衍射法窄沉降法方法的优缺点高岭土样品沉降激光粒度%10010沉降与激光衍射法对于非球型粒子测试比较常见粒度分析方法统计方法代表性强,动态范围宽分辨率低•筛分方法38微米--•沉降方法0.01-300微米•光学方法0.001-3500微米非统计方法分辨率高代表性差,动态范围窄重复性差•显微镜方法光学1微米--电子0.001微米--•电域敏感法0.5-1200微米被测参数分析方法粒度范围，微米备注长度筛分析电沉积筛光学显微镜电子显微镜全息照相＞4410～500.5～1000.001～55～500包括图象分析快速重量淘洗法空气中沉降液体中沉降离心沉降喷射冲击器空气