納米材料的粒度分析（二）
3、粒度分析的種類和適用范圍
材料顆粒度分析的方法以有很多，現(xiàn)已研制并生產(chǎn)了200多種基于各種工作原理的分析測(cè)量裝置，并且不斷有新的顆粒粒度測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器研制成功。雖然粒度分析的方法多種多樣，基本上可歸納為以下幾中方法。傳統(tǒng)的顆粒測(cè)量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法等，近年來(lái)發(fā)展的方法有激光衍射法、激光散射法、光子相干光譜法、電子顯微鏡圖象分析法、基于顆粒步朗運(yùn)動(dòng)的粒度測(cè)量法及質(zhì)譜法等。其中激光散射法和光子相干光譜法由于具有速度快、測(cè)量范圍廣、數(shù)據(jù)可靠、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高、便于在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。
（1）顯微鏡法???顯微鏡法（microscopy）是一種測(cè)定顆粒粒度的常用方法。根據(jù)材料顆粒度的不同，既可采用一般的光學(xué)顯微鏡，也可以采用電子顯微鏡。光學(xué)顯微鏡測(cè)定防衛(wèi)為0.8~150?m，小于0.8?m者必須用電子顯微鏡觀察。掃描電鏡和透射電子顯微鏡常用于直接觀察大小在1nm~5?m范圍內(nèi)的顆粒，適合納里材料的粒度大小和形貌分析。顯微鏡法可以了解在制備過(guò)程中顆粒的形狀，繪出特定表面的粒度分布圖，而不只是平均粒度的分布圖。但是在用電子顯微鏡對(duì)納里顆粒的形貌進(jìn)行觀察時(shí)，由于顆粒間普遍存在范德瓦耳斯力和庫(kù)侖力，顆粒極易團(tuán)聚形成球團(tuán)，給顆粒粒度測(cè)量帶來(lái)困難，需要選用分散劑或適當(dāng)?shù)牟僮鞣椒▽?duì)顆粒進(jìn)行分散。傳統(tǒng)的顯微鏡法測(cè)定顆粒粒度分布時(shí)，通常采用顯微拍照法大量顆粒粒度的分析統(tǒng)計(jì)。由于測(cè)量結(jié)果受主觀因素影響較大，測(cè)量精度不高，而且操作繁重費(fèi)時(shí)，容易出錯(cuò)。近年來(lái)采用綜合圖象分析系統(tǒng)可以快速而準(zhǔn)確地完成顯微鏡法中的測(cè)量和分析系統(tǒng)工作。綜合性的圖象分析系統(tǒng)可對(duì)顆粒粒度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并自動(dòng)分析系統(tǒng)。顯微鏡對(duì)被測(cè)顆粒進(jìn)行成像，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)完成顆粒粒度的測(cè)定。圖象分析技術(shù)因其測(cè)量的隨機(jī)性、統(tǒng)計(jì)性和直觀性被公認(rèn)是測(cè)定結(jié)果與實(shí)際粒度分布吻合的測(cè)試技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以直接觀察顆粒是否團(tuán)聚。缺點(diǎn)是取樣的代表性差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性差，測(cè)量速度慢。
（2）沉降法?????沉降法（sedimentation?size?analysis）的原理是基于顆粒處于懸浮體系時(shí)，顆粒本身中立（或所受離心力）、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，并且黏滯力服從斯托克斯原理來(lái)實(shí)施測(cè)定的，此時(shí)顆粒在懸浮體系中以恒定速度沉降，而且沉降速度與粒度大小的平方成正比。值得注意的是，只有滿足下述條件才能采用沉降法測(cè)定顆粒粒度；顆粒想狀應(yīng)當(dāng)接近于球形，并且完全被液體潤(rùn)濕；顆粒在懸浮體系的沉降速度是緩慢而恒定的，而且達(dá)到恒定速度所需時(shí)間很短；顆粒在懸浮體系中的布朗運(yùn)動(dòng)不會(huì)干擾其沉降速度；顆粒間的相互作用不影響沉降過(guò)程。測(cè)定顆粒粒度的沉降法分為重力沉降法分為重力沉降法和離心沉降法兩種，重力沉降法適于粒度為2~100??m的顆粒，而離心沉降法適于粒度為10??m~20??m的顆粒。由于離心式粒度分析儀采用斯托克斯原理，所以分析得到的是一種等效粒徑，粒度分布為等效秋重均粒度分布。一般高速離心沉降適合于納里材料的粒度分析。目前較通行的方法就是消光沉降法，由于不同的粒度的顆粒在懸浮體系中沉降速度不同，同一時(shí)間顆粒沉降的深度也就不同，因此，在不同深度處懸浮液的密度將表現(xiàn)出不同變化，根據(jù)測(cè)量光束通過(guò)懸浮體系的光密度變化便可計(jì)算出顆粒粒度分布。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量質(zhì)量分布。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量質(zhì)量分布，代表性強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果與儀器的對(duì)比性好，價(jià)格比較便宜。缺點(diǎn)是對(duì)于小粒子的測(cè)試速度慢，重復(fù)性差；對(duì)非球形粒子的誤差大，不適合于混合物料，動(dòng)態(tài)范圍比激光衍射法窄。
（3）光散射法???光散射法（light?scattering）的研究分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)光散射法（即時(shí)間平均散射）測(cè)量散射光的空間分布規(guī)律，動(dòng)態(tài)光散射法則研究散射光在某固定空間位置的強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律。成熟的光散射理論主要有夫朗和費(fèi)（Fraunhofer）衍射理論、菲涅耳（Fresnel）衍射理論、米（Mie）散射理論和瑞利（Royleigh）散射理論等。激光粒度分析法是目前zui為主要的納米材料體系粒度分析方法。當(dāng)一束波長(zhǎng)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(xiàn)象，通常當(dāng)顆粒粒徑大于10λ時(shí)，以衍射現(xiàn)象為主；當(dāng)衍射現(xiàn)象為主；當(dāng)粒徑小于10λ時(shí)，則以散射現(xiàn)象為主。一般，激光衍射式粒度儀僅對(duì)粒度在5??m以上的樣品分析較準(zhǔn)確；而動(dòng)態(tài)光散射粒度儀則對(duì)粒度在5??m以下的納米、亞微米顆粒樣品分析準(zhǔn)確。另外，激光法粒度分析的理論模型是建立在顆粒為秋形、單分散條件上的，而實(shí)際上被測(cè)顆粒多為不規(guī)則形狀并呈多分散性。因此，顆粒的形狀、粒徑分布特性對(duì)zui終粒度分析結(jié)果影響較大，而且顆粒形狀越不規(guī)則、粒徑分布越寬，分析結(jié)果的誤差就越大。但激光粒度分析法具有樣品用量少、自動(dòng)化程度高、快速、重復(fù)性好并可在線分析等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是這種粒度分析方法對(duì)樣品的濃度有較大限制，不能分析高濃度體系的粒度及粒度分布，分析過(guò)程中需要稀釋，從而帶來(lái)一定的誤差。在利用激光粒度儀對(duì)體系進(jìn)行粒度分析時(shí)，必須對(duì)被分析體系的粒度范圍事先有所了解，否則分析結(jié)果將不會(huì)準(zhǔn)確。目前的激光粒度儀多以500~700nm波長(zhǎng)的激光作為光源，因此，先社式粒度儀對(duì)粒徑在5??m以上的顆粒分析結(jié)果比較準(zhǔn)確，而對(duì)于粒徑小于5??m的顆粒則采用了一種數(shù)學(xué)上的米氏修正。因此，她對(duì)亞微米和納米級(jí)顆粒的測(cè)量有一定的誤差，甚至難以準(zhǔn)確測(cè)量。而對(duì)于散射式激光粒度儀，則直接對(duì)采集的散射的散射光信息進(jìn)行處理，因此，她能夠準(zhǔn)確測(cè)定亞微米、納米級(jí)顆粒，而對(duì)粒徑大于5??m的顆粒來(lái)說(shuō)，散射式激光粒度儀則無(wú)法得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
激光光散射法可以測(cè)量20~3500nm的粒度分布，獲得的是等效球體積分布，測(cè)量準(zhǔn)確，速度快，代表性強(qiáng)，重復(fù)性好，適合混合物料的測(cè)量。缺點(diǎn)是對(duì)于檢測(cè)器的要求高，各儀器測(cè)量結(jié)果對(duì)比差。利用光子相關(guān)光譜方法可以測(cè)量1~3000nm范圍的粒度分布，特別適合超細(xì)研究。測(cè)量體積分布，準(zhǔn)確性高，測(cè)量速度快，動(dòng)態(tài)范圍寬，可以研究分散體系的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是不適用于粒度分布快的樣品測(cè)定。
