基本概念及原理

 

颗粒是指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。粉体是由大量的不同尺寸的颗粒组成的颗粒群。颗粒的大小叫做颗粒的粒度，也称粒径。用特定的仪器和方法反映出的不同粒径颗粒占粉体总量的分数称为粒度分布。由于实际颗粒的形状通常为非球形的，难以直接用直径表示其大小，因此在颗粒粒度测试领域，对非球形颗粒，通常以等效粒径（一般简称粒径）来表征颗粒的粒径。等效粒径是指当一个颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时，就用该球形颗粒的直径代表这个实际颗粒的直径。由电子枪发出的高能电子经聚光镜获得一束直径小、相干性好的电子束打在样品上，与样品相互作用，产生各种物理信号，其中，透射电子是投射电镜用来成像的物理信号。由于样品各个微区的厚度、平均原子序数、晶体结构等不尽相同，透过样品各微区的电子数目就不同，这样就在物镜的物平面上形成一幅与样品微观结构一一对应的透射电子分布。再由物镜放大成像，经中间镜、投影镜进一步放大，最后成像于荧光屏，就得到一幅人眼可观察的、高分辨率、高放大倍数的透射电子像。

 

上海诺泽流体介绍说，激光衍射法又称小角度激光光散射法，应用完全的Mie散射理论。颗粒在激光束的照射下，其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减。由He-Ne激光器发射出的激光，通过滤镜后成为单一的平行光束，照射到颗粒样品后发生散射现象。散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，散射光经傅立叶或反傅立叶透镜后成像在排列有多个检测器的焦平面上，散射光的能量分布与颗粒直径的分布直接相关，通过接受和测量散射光的能量分布就可以得出颗粒的粒度分布特征。

 

实验样品和材料

氧化锌样品、蒸馏水均来自中国日用化学工业研究院。

 

实验仪器

JEM-1011型透射电镜，日本电子公司生产；上海诺泽流体科技公司的激光粒度仪。

 

样品的准备

实验前将样品编号，放在蒸发皿中，在恒温干燥箱中120℃温度下恒温干燥2~3h，取出后放入干燥器中封闭，冷却后装入塑料密封袋备用。

 

激光粒度仪测量

选择蒸馏水作为分散介质，选定测试条件后开始测量。在分散器中加入大约400mL蒸馏水，把待测氧化锌样品加入到分散器中，被分散的样品由分散系统的离心泵输至主机中的测量池，设定超声时间，超声分散结束后开始测量，由计算机控制并计算出结果，最后给出粒度大小和粒度分布曲线等测量结果。

 

结果与讨论

 

1）对于同一个氧化锌样品，两种方法测量值相差很大，1#样品相差约760倍，2#样品相差约170倍，3#样品相差约100倍。这是由于超细粉体的团聚造成的。超细粉体由于表面积急剧增大颗粒间的相互作用力也增大，主要作用力是颗粒之间的范德华力和库仑力、分子间作用力、静电作用力、毛细作用力，其中以范德华力和库仑力、分子间作用力起主要作用。由于这些力的存在，使超细粉体颗粒形成凝聚体和复聚体，外观上常常呈现片状团聚。透射电镜的最大特点是可以直观地看到并测得颗粒粒径大小，因此透射电镜的测试结果是客观的。激光粒度仪测得的是氧化锌团聚体的粒径大小，尽管测量时采取了消除团聚的手段，但团聚依然存在，因此测试的结果偏大。

 

2）重力与颗粒的粒径

 

测试的结果三次方成正比，因此当颗粒粒径较大时，重力的作用明显大于分子间作用力；随着颗粒的粒径的减小，分子间作用力逐渐起主要作用，颗粒间团聚加剧。所以，氧化锌样品粒径越小，团聚越明显，两种方法的测量值相差越大。如果样品的粒径是几百纳米，那么透射电镜的测试结果与激光粒度仪的测试结果相差不大，这就是因为颗粒粒径较大，团聚不明显的缘故。但如果由此就断定这两种方法对任何颗粒的测试结果都是一致的，这种结论显然是不对的。还有人认为用透射电镜和激光粒度仪测试同一纳米氧化锌，其测试结果要相差约一个数量级，这种观点也值得商榷。

 

3）颗粒的团聚分为软团聚和硬团聚。软团聚主要是由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致，该团聚可以通过一些化学作用或施加机械能的方法消除。而粉体的硬团聚除了颗粒间的范德华力和库仑力等之外，还存在化学键作用。

 

结论

 

粉体颗粒的粒度是其生产和使用过程中非常重要的数据，可用来确定产品的等级和质量，也可为制定科研和生产方案提供依据。粒度测试也是一项专业性和技术性很强的工作。上海诺泽流体表示，透射电镜和激光粒度仪两种方法各有优势，在氧化锌的科研和生产工作中，我们要根据实际情况来运用。透射电镜法可以直观地看到颗粒的形貌和大小，在工业生产或其它需要快速在线测量的场合，可以发挥激光粒度仪的优势，采用激光粒度法。另外，上海诺泽流体表示，也可以综合运用两种粒度测定方法，分析结果互相印证。对于氧化锌等超细粉体的团聚现象，其形成机理的理论研究以及控制方法的研究越来越引起大家的关注，综合运用这两种测试方法，对研究工作有重要意义。