（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）在現實(shí)社會(huì )中，諸如材料、能源、醫藥、冶金、化工、電子、機械、建筑及環(huán)保等很多領(lǐng)域都與材料的粒度分析息息相關(guān)。由于材料的顆粒大小分布范圍較廣，顆?？梢詮募{米級到毫米級，因此描述材料顆粒粒度大小的時(shí)候，可以按大小分為納米顆粒、超微顆粒、微粒、細粒、粗粒等等?？梢愿鶕@些顆粒的大小、種類(lèi)來(lái)采用不同的粒度分析方法。
近年來(lái)，隨著(zhù)納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米材料的顆粒粒度分布已經(jīng)成為納米材料研究的重要對象和重要指標。因此，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)于材料顆粒的粒度分析技術(shù)已經(jīng)受到人們的重視，逐漸成為分析測量學(xué)中的一個(gè)重要分支。
粒度分析的方法很多，據統計有上百種。目前常用的有沉降法、篩分法、顯微鏡法、電阻法、激光光散射法、電鏡法和X 射線(xiàn)小角散射法等。
1 沉降法 (Sedimentation Size Analysis)
1.1 沉降法的原理
該法基于顆粒在懸浮體系時(shí)，顆粒本身重力(或所受離心力)、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，根據黏滯阻力服從斯托克斯(Stocks)定律來(lái)實(shí)施測定，此時(shí)顆粒在懸浮體系中以恒定速度沉降，且沉降速度與粒度大小的平方成正比。Stokes 定律:
為了加快細顆粒的沉降速度，縮短測量時(shí)間，現代沉降儀大都采用離心沉降方式。在離心沉降狀態(tài)下，顆粒的沉降事度與粒度的關(guān)系如下：
 這就是Stokes 定律在離心狀態(tài)下的表達式。由于離心轉速都在數百轉以上，離心加速度ω2r 遠遠大于重力加速度g，Vc>>V，所以在粒徑相同的條件下，離心沉降的測試時(shí)間將大大縮短。
沉降法在油漆和陶瓷行業(yè)是一個(gè)傳統的測量方法，測量范圍一般為44μm 以上。
1.2 優(yōu)點(diǎn)
操作簡(jiǎn)便，儀器可連續運行，價(jià)格低，準確性和重復性較好，測試范圍較大。
1.3 缺點(diǎn)
測量速度慢，平均測量時(shí)間要半個(gè)多小時(shí)，很難重復分析；必須精確的控制以防止溫度梯度和粘度變化；不能處理不同密度的混合物。
2 篩分法(Screening Analysis)
2.1 篩分法粒度分析
該法是用篩子來(lái)檢測物料粒度組成，是最簡(jiǎn)單的也是應用最早的粒度分析方法。篩分法分干篩和濕篩兩種形式，可以用單個(gè)篩子來(lái)控制單一粒徑顆粒的通過(guò)率，也可以用多個(gè)篩子疊加起來(lái)同時(shí)測量多個(gè)粒徑顆粒的通過(guò)率，并計算出百分數。篩分法有手工篩、振動(dòng)篩、負壓篩、全自動(dòng)篩等多種方式。顆粒能否通過(guò)篩子與顆粒的取向和篩分時(shí)間等素因素有關(guān)。
篩分分析的粒度范圍為0.045~300 mm。篩分法可直接測出顆粒粒級的真實(shí)尺寸，因此常作為其他物料粒度分析方法的校正標準。
篩分分析采用的套篩一般有兩種：一種為非標準篩，用于篩分粗粒物料(6~300 mm)。另一種為標準套篩，用于篩分細度物料(0.045~6 mm)，標準套篩是由一套篩孔大小有一定比例
的、篩孔寬度和篩絲直徑都是按標準制造的篩子組。上層篩子的篩孔大，下層篩子的篩孔小，另外還有一個(gè)上蓋(防止試樣損失)和篩底(用來(lái)接取最底層篩子的篩下顆粒)。
2.2 優(yōu)點(diǎn)
簡(jiǎn)單方便、直觀(guān)、設備成本低，比較適合用于采礦業(yè)中較大顆粒。
2.3 缺點(diǎn)
小于400 目的粉末測量比較困難；難以測量粘性和成團的材料；測量時(shí)間和操作方法必須嚴格標準化；不能產(chǎn)生真實(shí)的重量分布；小尺寸篩網(wǎng)易被物料堵塞，且難以清洗;篩網(wǎng)強度低，易破損。
3 顯微鏡法(Microscopy)
3.1 顯微鏡法
顯微鏡系統是由顯微鏡、攝像頭、圖形采集卡、計算機等部分組成。它的基本工作原理是將顯微鏡放大后的顆粒圖像通過(guò)CCD 攝像頭和圖形采集卡傳輸到計算機中，由計算機對這些圖像進(jìn)行邊緣識別等處理，計算出每個(gè)顆粒的投影面積，根據等效投影面積原理得出每個(gè)顆粒的粒徑，再統計出所設定的粒徑區間的顆粒的數量，就可以得到粒度分布了。
由于這種方法單次所測到的顆粒個(gè)數較少，對同一個(gè)樣品可以通過(guò)更換視場(chǎng)的方法進(jìn)行多次測量來(lái)提高測試結果的真實(shí)性。除了進(jìn)行粒度測試之外，顯微鏡法還常用來(lái)觀(guān)察和測試顆粒的形貌。所測的粒徑為等效投影面積徑，計算出的為長(cháng)度平均徑。測量范圍一般為 0.2～100 μm。
3.2 優(yōu)點(diǎn)
簡(jiǎn)單方便、直觀(guān)、可進(jìn)行形貌分析。
3.3 缺點(diǎn)
代表性差，速度慢，無(wú)法測超細顆粒。
4 電阻法
4.1 電阻法
又叫庫爾特法，是由美國一個(gè)叫庫爾特的人發(fā)明的一種粒度測試方法。這種方法是根據顆粒在通過(guò)一個(gè)小微孔的瞬間，占據了小微孔中的部分空間而排開(kāi)了小微孔中的導電液體，使小微孔兩端的電阻發(fā)生變化的原理測試粒度分布的。小孔兩端的電阻的大小與顆粒的體積成正比。當不同大小的粒徑顆粒連續通過(guò)小微孔時(shí)，小微孔的兩端將連續產(chǎn)生不同大小的電阻信號，通過(guò)計算機對這些電阻信號進(jìn)行處理就可以得到粒度分布了。
用庫爾特法進(jìn)行粒度測試所用的介質(zhì)通常是導電性能較好的生理鹽水。
4.2 用途
適合于測量粒度均勻(即粒度分布范圍窄)的粉體樣品，也適用于測量水中稀少的固體顆粒的大小和個(gè)數，所測的粒徑為等效電阻徑。
4.3 優(yōu)點(diǎn)
操作簡(jiǎn)便，可測顆?？倲?，統計出粒度分布，等效概念明確，速度快，準確性好。
4.4 缺點(diǎn)
測試范圍較小，小孔容易被顆粒堵塞，介質(zhì)應具備嚴格的導電特性。
5 激光粒度法(laser particle size analysis)
成熟的光散射理論主要有夫朗和費衍射理論、菲涅耳衍射理論、米散射理論和瑞利散射理論等。激光粒度分析法是目前重要的材料粒度分析方法。
激光法粒度分析的理論模型是建立在顆粒為球形、單分散條件上的，而實(shí)際上被測顆粒多為不規則形狀并呈多分散性。因此，顆粒的形狀、粒徑分布特性對最終粒度分析結果影響較大，而且顆粒形狀越不規則、粒徑分布越寬，分析結果的誤差就越大。
5.1 靜態(tài)光散射法
靜態(tài)光散射法(即時(shí)間平均散射)測量散射光的空間分布規律，當一束波長(cháng)為λ的激光照射在一定粒度的球形小顆粒上時(shí)，會(huì )發(fā)生衍射和散射兩種現象，通常當顆粒粒徑大于10 λ時(shí)，以衍射現象為主；當衍射現象為主；當粒徑小于10 λ 時(shí)，則以散射現象為主。
5.1.1 優(yōu)點(diǎn)
靜態(tài)激光光散射法主要測定微米級顆粒，測量范圍一般在0.5~300 μm，獲得的是等效球體積分布，測量準確，速度快，代表性強，重復性好，適合混合物料的測量。
5.1.2 缺點(diǎn)
對于檢測器的要求高，各儀器測量結果對比差。
5.1.3 激光粒度儀
現在常用的激光衍射粒度分析技術(shù)是根據夫朗和費衍射理論而開(kāi)發(fā)的，其原理是激光通過(guò)被測顆粒將出現夫朗和費衍射，不同粒徑的顆粒產(chǎn)生的衍射隨角度的分布而不同，根據激
光通過(guò)顆粒后的衍射能量分布及其響應的衍射可以計算出顆粒樣品的粒徑分布。
5.2 動(dòng)態(tài)光散射法
也叫光子相關(guān)光譜法，動(dòng)態(tài)光散射法研究散射光在某固定空間位置的強度隨時(shí)間變化的規律。該方法是基于分子熱運動(dòng)效應，懸浮于液體中的微細顆粒都在不停地做布朗運動(dòng)，其無(wú)規律運動(dòng)的速率與濕度和液體的粘度有關(guān)，同時(shí)也與顆粒本身的大小有關(guān)。對于大的顆粒其移動(dòng)相對較慢，而小的顆粒則移動(dòng)較快。而當一束激光通過(guò)稀薄的顆粒懸浮液時(shí)，被照射的顆粒將會(huì )向四周散射光。在某一角度下所測散射光的強度和位相將取決于顆粒在光束中的位置以及顆粒與探測器之間的距離。
由于顆粒在液體中不斷地作布朗運動(dòng)，它們的位置隨機變動(dòng)，因而其散射光強度也隨時(shí)間波動(dòng)。顆粒越小，擴散運動(dòng)越強，散射光強度隨即漲落的速率也就越快。通過(guò)檢測散射光的光強隨時(shí)間變化，并進(jìn)行相關(guān)運算可以得出顆粒粒度大小。盡管如此，動(dòng)態(tài)光散射獲得的是顆粒的平均粒徑，難以得出粒徑分布參數。動(dòng)態(tài)光散射法適于檢測亞微米級顆粒，測量范圍約3～1000 nm。
5.2.1 優(yōu)點(diǎn)
測試速度快，重復性好。
5.2.2 缺點(diǎn)
要求樣品要處于良好的分散狀態(tài)。
7 X 射線(xiàn)小角散射法(SAXS)
7.1 X 射線(xiàn)小角散射
X 射線(xiàn)小角散射是發(fā)生在原光束附近零到幾度范圍內的相干散射現象，物質(zhì)內部數十至千埃尺度電子密度的起伏是產(chǎn)生這種散射效應的根本原因。
7.2 應用
SAXS 技術(shù)可用來(lái)表征物質(zhì)的長(cháng)周期、準周期結構以及呈無(wú)規分布的納米體系。廣泛用于1～300 nm 范圍內的各種金屬和非金屬粉末粒度分布的測定，也可用于膠體溶液、磁性液體、生物大分子以及各種材料中所形成的納米級微孔、GP區和沉淀析出相尺寸分布的測定。
7.3 解析方法及結果數據
形狀相同尺寸相等的顆粒系：可用Guinier 斜率分析法和Yudowitch 頂峰分析法。形狀相同尺寸不等的顆粒系：可用標準分布擬合法和逐級對數圖解法。
SAXS 的結果所反映的為一次顆粒的尺寸。所謂一次顆粒，即原顆粒，可相互分離而獨立存在的顆粒。很多顆粒粘附在一起形成團粒，這在納米粉末中是相當常見(jiàn)的。如不能將其中的顆粒有效地分散開(kāi)來(lái)，它們將會(huì )作為一個(gè)整體而沉降、遮擋和散射可見(jiàn)光，其測試結果勢必為團粒尺寸的反映。而SAXS 測試結果所反映的既非晶粒亦非團粒而是一次顆粒的尺寸。
7.4 測試結果的統計代表性
檢測結果是否具有代表性，當取樣合理時(shí)，主要是看測量信息來(lái)源于多少個(gè)顆粒。對小角散射而言就是要看測量時(shí)X射線(xiàn)大約照射上多少顆粒，根據上述參數可以算出X 射線(xiàn)輻照體積內的顆粒數近似為1.8×1010 個(gè)。因此，我們可以認為一般小角散射信息來(lái)自109～1011 個(gè)顆粒，這也就保證其結果的統計代表性。
7.5 優(yōu)點(diǎn)
操作簡(jiǎn)單，結果準確，是納米材料粒度分析的重要分析方法。
7.6 缺點(diǎn)
儀器昂貴。
8 其他分析方法
除了上述幾種常用的粒度分析方法外，其它常見(jiàn)的分析方法還有電泳法、費氏法、質(zhì)譜法、比表面積法、刮板法、沉降瓶法、透氣法、超聲波法等等。
9 總結
粒度的分析方法很多，不同的分析方法在不同的領(lǐng)域有著(zhù)不同的應用，結合實(shí)際樣品選擇合適的分析方法。隨著(zhù)各種納米材料在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、國防、醫藥等領(lǐng)域的廣泛應用，要求顆粒測量技術(shù)測量限更低、測量范圍更廣、測量準確度和精確度更高、重現性更好。對納米材料來(lái)說(shuō)，高速離心沉降法、電鏡法、激光粒度法、X 射線(xiàn)小角散射法、電超聲粒度分析法應用比較多，也是目前分析納米材料的主要分析方法。
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