一文读懂激光粒度仪的方方面面
2024-01-15 08:30:26 乐鱼官方平台

  广泛适用于粉末涂料、锂电池材料、水泥、磨料、医药、农药、食品、化工、3D打印等多种行业的生产、应用和研究过程中。可用于检测粉末、乳液、浆料、雾滴、气溶胶等多种形态的颗粒性状,实现从

  非统计学方法有显微法和动态图像分析法等,其优点是分辨率比较高、结果直观,但存在着样品代表性差,结果的动态范围窄等缺点。

  统计学方法有筛分法和沉降法等,其优点是代表性强、统计量大,但存在着重复性差、测量时间长、分辨率低等缺点。

  近年来发展的粒径测量方法:静态光散射法、多波长消光法结合图像法、可见光谱法、激光衍射法、动态光散射法等

  英国马尔文仪器有限公司于1970年制造出世界第一台商用激光粒度分析仪,随后生产出世界上第一台激光PCS纳米粒度及Zeta电位分析仪,第一台超声粒度分析仪。

  以日本HORIBA为代表。HORIBA长年积累的粒子径计测技术和经验,实现了从1nm的分子、原子级超微小区域到6000nm的大量程测定。

  20世纪70年代,国内开始粒度测试技术的研究;20世纪80年代,开始研制激光粒度仪,最早开始研制的是天津大学的张以谟团队,产品的名字当时叫做“激光滴谱仪”,设定的应用对象是液体雾滴的粒度测量。接下来,上海机械学院(后改名“上海理工大学”)、山东建材学院(后并入济南大学)、四川省轻工业研究院、重庆大学和辽宁(丹东)仪器仪表研究所也陆续开展激光粒度仪研制。

  20世纪90年代中期以前,中国颗粒测试市场还主要以沉降仪为主,国内需求的激光粒度仪几乎全部依赖进口,当时进口激光粒度仪的平均价格超过5万美元/台,而且存在供货、维修、零配件供应不及时等现象。

  近年来,我国粒度仪行业发展迅猛,具有自主知识产权的、性能优良的国产粒度仪产品不断问世。天津大学、济南大学、上海理工大学、丹东仪表所等单位先后都做了大量的工作,并在近十年有了明显的突破,如天津大学的双谱面结构、丹东百特的两种光学结构、济南微纳的样品池、华南师范大学的折射率测量、珠海欧美克的全自动系统等。

  目前,国内厂商已经能够生产出覆盖市场所需的很多类型的粒度仪产品,国产激光粒度仪与进口仪器水平相当,有些国产品牌甚至领先于世界同行。

  激光粒度仪主要是根据Fraunhofer衍射(弗氏衍射)和Mie散射(米氏散射)两种光学理论制造。根据激光在被测颗粒表面发生散射,散射光的角度和光强会因颗粒尺寸的不同而不同,根据米氏散射和弗氏衍射理论,进行粒径分析。

  理论指出:当光线通过不均匀介质时,会发生偏离其直线传播方向的散射现象,它是由吸收、反射、折射、透射和衍射共同作用引起的。

  当球形非导体颗粒的直径远小于入射光的波长,即α≤1时,发生的散射称为Rayleigh散射,可以用Rayleigh公式近似求Mie解。

  当球形散射体的直径远大于入射光的波长即α≥1时,发生的散射称为衍射散射,可以用散射衍射理论求Mie解。

  衍射散射符合Fraunhoffer衍射原理,由于光源、检测点与颗粒的距离较远(相对于颗粒尺寸大小),入射光近似认为是平行光。颗粒的散射不受材料的吸收率和折射率的影响,所以它的应用场景范围更加广泛。

  当α比较接近1时,这时的散射介于Rayleigh散射与衍射散射之间,称为Mie散射,需要采用计算量非常大的Mie理论进行分析。

  因此,利用光散射技术能测量颗粒群的浓度分布与折射率大小,还可以测量颗粒群的尺寸分布。

  激光粒度仪因具体用途不同,仪器的构造差异很大,但总体结构基本相同,如下图所示。

  ①把调制好的样品放入样品槽内,一束低功率的激光照射到样品槽。②被检样品分散在介质中,且处于悬浮状态,当激光照射到分散的颗粒上时,因颗粒对激光的阻碍而发生光散射,形成了激光来路方向与散射方向的夹角。③由米氏散射理论可知,颗粒越大夹角越小;反之颗粒越小,则夹角越大。散射光的强度代表颗粒数量的多少。④被散射的光射到光电探测器阵列上,然后由中央处理器处理检测出的信息,由此获得此份样品的粒度分布情况。

  静态光散射法不适合测量直径在亚微米级及以下的颗粒,因为会发生多重衍射,而使测量结果的准确性明显降低。

  激光粒度仪的测试办法能够分为干法和湿法 2 种。干、湿两种测试方法由于分散介质不同,测试结果会存在差异。

  干法使用空气作为分散介质,利用紊流分散原理,能够使样品颗粒得到充分分散,被分散的样品再导入光路系统中进行测试。

  干法测试优点:测试速度快,简单易操作,测试结果准确性及重复性好,可以测试在水中溶解的样品。适用于各种粗细颗粒粒径分布的检测。

  湿法是把样品直接加入到水或者乙醇等分散介质中进行分散,然后再经过光路系统,计算出粒径分布。

  湿法测试优点:使用样品量小,适用于细颗粒粒径分布的检测。缺点:测量结果重复性较差。

  干法的进样速率、压力等分散条件的选择要合适,在保证可以分散好样品的情况下,尽可能地选择较小的压力,减少对样品颗粒的冲击,避免颗粒的二次破碎。对于一些难于分散的样品,比如氧化铁,密度较大,要选择较大的分散压力,否则就没办法取得好的分散效果,或改变进样量来改变样品的分散效果。

  湿法进样要通过改变搅拌速率、超声时间来做调整,同时使用合适的分散剂来对样品进行分散。对于一些较轻,可漂浮在分散介质上的样品,要延长样品的测试时间,以利于样品的充分分散。同时湿法测试应该使用超声波去除气泡,否则会在结果中形成拖尾峰。

  复折射率的选择合适与否直接影响到粒度检测结果的准确性与可靠性,但是影响待测颗粒复折射率的因素较多,难以确定其准确值,所以到目前为止在激光粒度测量领域中仍旧没有确定复折射率的统一方法。在实际的粒度检验测试过程中,一般只是对同种物质使用一个固定的复折射率,这样的测量结果必然会与样品的真实值有较大偏差。但是如果针对不一样粒度区间的颗粒都去寻找其复折射率,却又不现实。

  Mie 散射理论是麦克斯韦电磁方程组的严格解,激光法检测的前提假设是粉体粒子是球形且各向同性的,大多数晶体在不同的方向上有不同的折射率。由于不同厂家的设备中光能探测器的数量、空间分布位置、灵敏度的不同也会导致检测结果的差异。

  由于光强分布的差异,不同粒度仪生产厂商所采用的软件内置算法不同,造成系数矩阵的计算结果差异,由此给反演带来不同程度的误差。

  球形石英粉等颗粒,在高温环境下烧灼成型。由于既要成球,又要熔透转变为非晶型或不定形,其技术难度很高。所以在生产的全部过程中会有部分无定形态的熔融石英包裹在结晶石英上,以及熔融石英内部含有空心气泡。这种颗粒被称为双层颗粒,颗粒内外复折射率不同,导致激光法测量时可能带来较大误差,据相关文献,最大误差可能超过 50%。

  通常我们大家都认为颗粒越小,爱里斑越大,所以粒度仪可以依据散射光的分布推算粒度分布。但事实上在有的粒径区间,会出现违反上述规律的情况:颗粒越小,爱里斑也越小。我们把这样的粒径区间叫做“反常区”。任何无吸收或弱吸收的颗粒的光散射都存在反常现象。

  爱里斑的反常变化会导致一种散射光能分布对应多种粒度分布的可能性,从而使粒度仪得不到正确的粒度分布结果。

  使用激光粒度仪检验测试过程中,需注意保证待测颗粒处在良好的分散状态。当前市面上的主流激光粒度仪, 大多数都带有离心循环分散和超声分散两种分散模式,所以对于这种类型仪器的用户,不建议测试前的机外分散, 因为在用烧杯将分散后的溶液导入循环槽的过程中极易在杯底残留部分大颗粒,导致测试结果产生误差。在仪器中分散样品时,应注意根据物料性质调整超声和离心循环分散的功率,太大轻易造成气泡的产生,太小则轻易造成分散效果变差和大颗粒沉底。

  激光粒度仪的保养程度,对检测结果有较大影响。激光粒度仪需要定期标定维护。在实际的使用的过程中发现,部分样品极易在测试过程中附着在仪器的管路内部,从而混入之后的测试样品中带来测试误差。而仪器自带的清洗功能很难解决这类问题,需要在激光粒度测量中引起足够重视。

  对于激光粒度仪整个行业来说,还存在需要改进的地方。珠海真理光学仪器有限公司董事长张福根根据多年从业经验,提出了以下建议:

  目前,全世界内激光粒度仪测量实际样品时给出的数据经常是不可比的。需要国内外厂家去正视问题,然后改正原先的不足。

  国内很多用户都认为进口仪器就是比国产仪器好,有的仪器厂家也拿自己的仪器结果能和国外的结果相一致,来验证自己的高水平,这是自我矮化行为,请用户客观判断。

  激光粒度测试报告的核心内容是体积粒度分布。为了简洁起见,用特征粒径来表示粒度分布。最常见的是D10、D50和D90三个数。激光粒度仪国家标准(GB/T 19077-2016/ISO 13320:2009)中明确规定,不允许用D100的数值。

  有些激光粒度仪的应用行业,例如电池的正负极材料行业,其国家标准中就把激光粒度仪的Dmax(即D100)作为控制指标。这些都是误导性的应用。

  目前激光粒度仪的测量范围动辄下限10纳米,上限5000微米以上。严重夸大,误导客户,扰乱市场。需要行业自律以及国家相关组织加强督导力度。

  参考来源:丹东百特、仪器信息网、中国粉体网、普华有策等。【1】陈鑫,等. 浅谈激光粒度仪的使用方法及普遍的问题分析.广州化工.2020.【2】谢群,等. 理想激光粒度仪及其测量下限与分辨力.激光与光电子学进展.2021.【3】季轩,等. 激光粒度仪测试 PTA 粒度分布的影响因素研究.合成技术与应用.2021.【4】隋修武,等. 激光粒度分析仪的关键技术及研究进展*.电子测量与仪器学报.2016.【5】汤银浩. 干法激光粒度仪在水泥检测中的应用.江苏建材.2022.【6】杨珍娥,等. 关于激光粒度仪和标准筛分试验的对比研究.煤炭加工与综合利用.2017.【7】刘培炎. 激光粒度仪干法和湿法测试在涂料粒径分析中的应用.涂料工业.2016.【8】霍胜伟,等. 马尔文激光粒度仪测定亚利桑那试验粉尘粒径分布的研究.计量科学与技术.2022.