粒徑及粒度分布

2021-01-17 安徽景成

摘要：粒徑和粒徑分布式粉末塗料的重要參數，文章介紹了粉體材料的粒徑和粒徑分布定義，表示方法，以及在粉末塗料生產中的指導意義。

       當被測顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質球體（或其組合）最接近時，就把該球體的直徑（或其組合）視作為被測顆粒的等效粒徑（或粒度分布）。其含義包括：

粒度測量實質上是通過把被測顆粒和同一種材料構成的圓球體相比較而得出的；

不同原理的測量儀器採用不同的物理特性或物理行為作為比較的參考量，例如沉降儀選用沉降速度、雷射粒度儀選用散射光能分布、篩分法選用顆粒能否通過篩孔等等；

將待測顆粒的某種物理特性或物理行為與同質球體作比較時，有時可以找到一個（或一組）在該特性上完全相同的球體（如庫爾特計數器），有時則只能找到最接近的球體（如雷射粒度儀）。由於理論上可以把「相同」視作為「近似」的特例，所以在定義中用「相近」一詞，使定義更有一般性；

將待測顆粒的某種物理特性或物理行為與同質球體作比較時，有時能找到某一確定直徑的球體與之對應，有時則需一組大小不同的球體組合與之對應才能最接近（如雷射粒度儀）目標值。

       所謂粒度分布就是粉體樣品中各種大小的顆粒佔顆粒總數的比例。當樣品中所有顆粒的真密度相同時，顆粒的重量分布和體積分布一致。在沒有特別說明時，儀器給出的粒度分布一般是指重量分布或體積分布。

2.1 粒度分布的列表法與圖示法

       粒度分布最常見的表達方式是表格和曲線，分別稱為粒度分布表和粒度分布曲線。粒度分布表實例見表1。

       表1中黃色覆蓋的部分表示5.81~6.88µm之間的顆粒重量佔總重量的13.25%，小於6.88µm的顆粒佔總重量的21.09%。粒度分布曲線與粒度分布表相對應。粒度分布表給出了詳盡的定量數據，它以形象、直觀的方式表明了粒度分布情況，如圖1所示。

2.2 粒度分布的公式表達法

       通常採用Rosin-Rammler公式表達粒度分布。即：


       式中，De是與X50（中位徑）成正比的常數，N則決定粒度分布的範圍。N越大，粒度分布範圍越窄，表示樣品中顆粒分布的均勻性越好。用公式表達粒度分布只在作理論研究時才用。

2.3 分體粒度的簡約表達方式—特徵粒徑值

（1）中位徑

       中位徑記作X50，表示樣品中小於它和大於它的顆粒各佔50%，如圖2所示。可以認為X50是平均粒徑的另一種表示形式。在大多數情況下，X50與X(3,4)很接近。只有當樣品的粒度分布出現嚴重不對稱時，X50與X(3,4)才表現出顯著的不一致。

（2）邊界粒徑

       邊界粒徑用來表示樣品粒度分布的範圍，由一對特徵粒徑組成，例如（X10, X90）、（X16, X84）、(X3, X94)等等。為便於闡明其物理意義，先假定粒度分布是重量分布，並且累積方向是從小到大。這時Xy就表示粉體樣品中粒徑小於Xy的顆粒重量佔總量的y%。一對邊界粒徑大體上概括了樣品的粒度分布範圍。以（X10, X90）為例，表示小於X10的顆粒佔顆粒總數的10%，大於X90的顆粒也佔顆粒總數的10%，亦即80%的顆粒分布在區間[X10, X90]內。

       有的儀器用戶希望用最大顆粒直徑描述樣品粒度分布的上限，實際上這是不科學的。從統計理論上講，任何一個樣品的粒度分布範圍都可能小到無限小，大到無限大，因此我們一般不能用最小顆粒直徑和最大顆粒直徑來代表樣品的下、上限，而是用一對邊界粒徑來表示下、上限。

2.4   粒度分布的離散度

       離散度用來描述粒度分布的相對寬度或不均勻程度，定義為：

離散度=分布寬度/平均粒度

       如果用X50代表平均粒徑，那麼就用（X90-X10）代表粒度分布範圍。

2.5   比表面積

       粉體的比表面積（SSA）是指單位重量（體積）的樣品中所有顆粒的表面積之和。比表面積的表達公式：


       K稱為形狀係數，ρ表示粉體樣品的真密度，D（3,2）是樣粉的表面積平均粒徑。當粉體顆粒為球形時，K=6。幾何學告訴我們，在相同的體積下，圓球形的顆粒表面積最小，所以K≥6。

       對於粉末塗料來說其粒徑和粒度分布的含義符合以上內容。對以上知識的掌握有利於對粉末塗料品質和使用方面的了解。粉末塗料的粒徑和粒度分布涉及到粉末塗料的熔融速度、帶電性能和對工件的上粉率。可以通過粉末塗料的粒度分布數據和粒度特徵參數對磨粉設備進行性能方面的評價和工藝方面的調整。

       圖3和圖4是用雷射粒度分布儀測出的兩個粉末塗料產品樣粉的粒度特徵參數和粒度分布圖。

       從圖3可以看出，該測試樣品的平均粒徑D（3,4）為33.20µm；中位徑D50為30.52µm；表面積平均粒徑D（3,2）為19.25µm；比表面積AAS為0.31m2/mL。粒徑按照由小到大分布，10%處的粒徑D10為10.93µm（或小於10.93µm的顆粒佔10%）；25%處的粒徑D25為18.90µm（或小於18.90µm的顆粒佔25%）；75%處的粒徑D75為44.54µm；90%處的粒徑D90為58.73µm。D50－D（3,4）=30.52 － 33.20=-2.68（µm），表示粒度分布的對稱性較好。粒度分布的離散度=（D90－D10）/D50=（58.73－10.93）/30.52 ≈ 1.5662。從粒度分布圖看出微分分布的峰高大約在11%處。

       圖4樣品的D50－D（3,4）=39.88－46.19= －6.31，表示粒度分布的對稱性較差。其粒度微分分布的峰高大約在8.7%處。

       無論從圖3、圖4還是表2我們可以看出圖3樣品比圖4樣品的粒度分布寬、對稱性差，從各自的D10也可以看出圖4的超細粉偏多。

       這些測試結果還要對應粉末塗料產品的使用情況進行數據積累、評估，才能夠對粉末塗料產品形成有效評價的指導依據和生產控制依據。

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