粒度测量_沉降法与激光法.pdf

4 6佛山陶瓷FO SH ANCERAMI CS29 9 4年第z期.圈曰粒度测量沉降法与激 光法彭进强(佛山市陶瓷研究所)前言在陶瓷材料研究和生产过程,材料粒度是一个重要的控制参数。例如,它 影响收缩率,模具尺寸需依此设计,若收缩过大也会使产品易变形。压制粉料和注浆料的流动性,两者的典型应用分别有墙地砖和卫生洁具。坯体烧成温度和釉料熔融温度,粒度越细,这两个温度就越低。对一个球状颗粒,我们可以马上用其直径表示粒度,但由于实际上的颗粒是非球状的,对其“粒度”并无一明确和统一的定义。如果从几何角度考虑,我们可能会趋向于定义等效体积球的直径为其粒度。但是,这在实际测量中是不可能的。当用近年配有图象分析系统的显微镜测量时,充其量是用某一方向投 影等效面积圆的直径来表示粒度。但是,它并不等于等效体积球的直径。观察平台上的颗粒不可能在三维都是随机取向的。例如,片状、柱状的颗粒必处于低重心状态。因此,粒度的测量都是利用某种间接的方法测出某一“等效粒度”。测量粒度的方法很多,主要的有:(1)筛分法:以一定的二维空间限制来区分大于和小于某一粒度的颗粒。(2)图象解析法:测量颗粒图象某个参数,根据某种定义给出粒度值。(3)库尔特法:不同体积的颗粒通过一特定装置时,装置两端电阻有不同改变。(4)沉降法:在液体中不同质量的颗粒具有不同的沉降速度。(5)光散射法:不同尺寸的颗粒具有不同的散射角。在陶瓷行业中,最传统是的筛分法,这是一种很粗糙的方法,其缺点是很明显的:通常只能筛分出大于40拌m(一30 0目)的颗粒。不能给出详细的粒度分布数据。本文主要讨论沉降法和激光散射法这两种粒度测量方法。前者在陶瓷行业应用已有较长的历史,后者是近十几年发展的新技术。沉降法它有什么缺点?沉降法的基础是斯托克斯(St oke s)定律:球形颗粒在粘滞液体中受重力作用自由沉降时,沉降速度v是一常数,它与颗粒直径D有如下关系:D丙而亏7丈万二下庵式中刀是液体介质的粘度,p和P f分别是试样和液体的比重,g为重力加速度。沉降法中粒度的定义是:如果一个颗粒与球形颗粒具有相同的沉降速度,即认为该颗粒的粒度等于球形颗粒的直径。早期应用沉降法的仪器有安特生沉降瓶,沉降天平等,这类仪器本身的误差和测量佛山陶瓷FOSH A N CER AMICS1994年第2期47操作引起的误差都较大,近期的类型是带有计算机控制和数据处理的光透式粒度仪,颗粒的沉降速度表现为悬浮液的浓度变化,根据光(可见光或X光)透射强度和变化规律可以导出粒度的分布。沉降法测量粒度的主要缺点有:(1)沉降法原则上不适用具有不同比重组份的混合料,这由Stoke s公式不难看出,比重大的小颗粒会比比重小的大颗粒沉降快,从而给出错误结果。陶瓷行业常用的粘土矿物、坯料、釉料等都非单一组份。(2)测量上下限范围窄,当颗粒较大时,下沉较快,不满足Stoke s定律成立所要求的日 口日目1一11一2l一31一4图1若只含单一组份或比皿相同的组份,大颐粒总是比小肠粒沉降快。(见1一z,1一2)。若B的比皿大于A的,会出现1一4所示的情况,此时沉降法仪器会给出B的粒度大于A的错误结果。层流条件,(如石英在水中的Stoke s沉降上限约为5 0拌m),当颗粒较小时,受液体分子布朗(Br own)运动的影响,沉降轨迹并非匀速垂直,(通常小于1拌m时布朗运动的影响已很明显)。虽然用离心法以较强的离心力代替重力可延伸测量下限,但其上限也随之下延,用粘性较大的液体代替水来提高测量上限也有类似问题:测量下限随之提高。值得指出的是,虽然很多这类仪器都给出一个很宽的测量范围,如0.1拜m一50即m,但这并不意味它可以有效测量一个具有上述分布范围的样品。只是对比重较大的样品,下限可较准确测至。.1拜m,(但其上限应用不会大于5 0产m);反之,对比重较小的样品,上限可测至5 0 0拌m,但其下限应是1外m量级,这点是容易引起误解的。陶瓷行业原料的粒度分布范围一般在1户拌m一1 0乍m间,以典型的重力沉降法来说,对比重在3.0左右的粉料,其有效测量范围约为1拜m一5 0拜m。激光散射法一更合适的方法么么么么么么么么么么么么么么么么么么么J甲目口口l l l l l l ll l l l l阮翻.侧.臼臼臼臼.曰.女!曰p.、l l l l l l l l l l lr e,压压压压 I I I图2激光散射法测t 粒度的结构原理图4 8佛山陶瓷_FQSHANCER AMI cS工 994年第2期当光入射到颗粒时,会产生散射,小颗粒散射角大,而大颗粒散射角小,某一散射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关,这就是光散射法测量粒度的基本原理。虽然上述原理早已发现,但在激光问世前,由于一般的光源非单色光,散射谱的分辨率很低,实际 上无法用于粒度测量,所以只是到 了7 0年代,才出现了这类仪器,而到了8 0年代,加上微电子技术的应用,激光散射法的粒度仪日趋完善。目前的激光散射法粒度仪基本上都同时应用了夫琅和费(F ra unh of er)散射理论和米氏(Mie)散射理论;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。因此,通常激光散射法粒度仪的测量范围为1尹拌m一10乍m,满足一般 陶瓷行业的要求。与沉降法相比,激光散射法的优点是明显的:(l)测量速度快,一般一分钟左右即可测完一个样品,而沉降法的一个测量周期通常要半个小时以上。(2)陶瓷行业中常用的粘土原料和釉浆料等含有大量10一拌m量级的微粒,这部分微粒受到电解质作用或液体分子布朗运动的影响,它们并不按Stoke公定律沉降或不沉降。对激光散射法来说,沉降与否或如何沉降对测量没有影响。如前述,质量较大的粒子会沉降过快,不满足Sto kes定律要求的层流条件。但用激光散射法测量时,由于光学采样的时间极短,粒子的沉降或其它运动对测量并无影响。(3)测量范围宽,应用了F ru aho fe r及Mie理论的激光散射法粒度仪可有效测量含有10月拜m1 0乍m整个粒度范围的样品。(4)可以测量干粉的粒度,沉降法和库尔特(Co ult er)法都必须在液态介质中测量,但公户户必翻.口.几、.伙井一S ed:g ra Ph510 0八叼.卜喇H1eroU口一勺1陌ste rsiZ er/Ma!vern卜义一、含、,、一宝、一l l lj s ew e压妞.、等效球直径拌m图3两种方法测且两一卫生洁兵坯体桨料的粗度易积分布对比曲线佛山陶瓷FOS H A N C E R AMI C S19 9 4年第2期对陶瓷行业,一些粉料的粒度测量时不宜置于水中的,如墙地砖生产过程中经过喷雾干燥造粒的粉料。(5)可以测量具有不同比重组份的混合料,对适用于粒度大于几 个微 米 的Fr a unhofe r散射,散射仅与粒径有关,无需输入任何参数,对Mie散射,只要求输入折射率,而粒度分布 曲线对这参数变化的反应并不敏感,且一般材料的折射率都可在仪器厂家提供的手册中查到。图3是用两种仪器测量同一个卫生洁具坯体浆料粒度的对比结果,沉降法所用的仪器为美国麦克公司(Mie romerities)的Sedigraphsioo,它使用x光做光源,无需进行复杂的消光系数校正,样品室有恒温控制,保持测试过程中液体粘度为恒值,是目前世界上沉降法粒度仪较先进者。激光散 射法 所用的仪 器 为英国乌尔文公司(Malvern)的Ma ste rsiz er/X,它应用 了Fra unhofer理论和全Mie理论。我们可以看出,在10拜m以下范围,两者结果相差较大,这主要原因如前述。颗粒较细时,受浆料中的电解质(悬浮剂)和液体分子布朗运动的影响,颗粒沉降比St ok es理论值慢所致。由此可知,激光散射法的结果比沉降法的更为合理。致谢作者与Ma lv e m公司李杰先生进行了有益的技术讨论,并得到他为有关试验提供的协助,在此表示感谢。中国陶瓷一九九四年第3期要 目N KMC A S系辉石型白瓷釉的化学组成与晶相结构的关系 况学成等反应热压法制备BN一A CN一T IB:导电处处相陶瓷(BAT瓷卜 张国军高岭土、瓷石分散特性的研究 袁继祖等硅石碳化硅窑具砖 陈加庚等低散热窑体结构 的研 究 吴建青油烧隧道窑烧制铜红釉的试验 王虎苗铿辉石在日用陶瓷工业中的应用展望 胡青峰