粒度分析的基本原理
不同的技術提供了不同的手段
如果我們用電子顯微鏡測量粒子,這就像我們用十字線來量直徑,把這些直徑相加后被粒子數量除,得到一個平均結果。我們可以看到,用這種方法我們得到D[1,0],即長度平均值;如果我們得到顆粒的平面圖像,通過測量每一顆粒的面積并將它們累加后除以顆粒數量,我們得到D[2,0],即面積平均徑;如果采用一種比如電子區域感應的方法,我們就可以測量每一顆粒的體積,將所有顆粒的體積累加后除以顆粒的數量,我們得到D[3,0],即體積平均徑。用激光法可以得到D[4,3],也叫體積平均徑。如果粉體密度是恒定的,體積平均徑與重量平均徑是一致的。由于不同的粒度測試技術都是對粒子不同特性的測量,所以每一種技術都很會產生一個不同的平均徑而且它們都是正確的。這就難免給人造成誤解盒困惑。假設3個球體其直徑分別為1,2,3個單位,那么不同方法計算出的平均徑就大不相同:
數量及體積分布
尺寸(cm)數量數量
百分數重量
百分數10-100070000.299.961-10175000.50.030.1-1350000099.30.01合計3524500100100表2顆粒大小數量與分布的影響1991年10月13日發表在《新科學家》雜志中發表的一篇文章稱,在太空中有大量人造物體圍著地球轉,科學家們在定期的追蹤它們的時候,把它們按大小分成幾組,見表2。如果我們觀察一下表2中的第三列,我們可正確地推斷出在所有的顆粒中,99.3%是極其的小,這是以數量為基礎計算的百分數。但是,如果我們觀察第四列,一個以重量為基礎計算的百分數,我們就會得出另一個結論:實際上所有的物體都介于10-1000cm之間。可見數量與重量(體積)分布是大不相同的,我們采用不同的分布就會得出不同的結論,而這些分布都是正確的,只是以不同的方法來觀察數據罷了。舉個例子,假設我們在做一件太空服,我們可以說抵御7000個大的物體的襲擊是很容易的,它可應付所有這種襲擊的99.96%。但對于太空服更為重要的是應抵御在數量上占99.3%的小顆粒的襲擊!如果我們用計算器計算以上分布的平均值,我們會發現數量平均直徑約為1.6cm而質量平均直徑為50cm,可見兩種不同的計算方法的差別很大。
數量,長度,體積平均徑之間的轉換
如果我們用電子顯微鏡測量顆粒,我們從前面的討論知可以得到D[1,0]或叫做數量-長度平均徑。如果我們確實需要質量或體積平均徑,則我們必須將數量平均值轉化成為質量平均值。以數學的角度來看,這是容易且可行的,但讓我們來觀察一下這種轉換的結果。
假設我們的電子顯微鏡測量數量平均徑時的誤差為±3%,當我們把數量平均徑轉換成質量平均徑時,由于質量是直徑的立方函數,則最終質量平均徑的誤差為±27%。
但是如果我們像對激光衍射那樣來計算質量或體積分布,則情況就不同了。對于被測量的在懸浮液中重復循環的穩定的樣品,我們得出±0.5%重復性誤差的體積平均徑。如果我們將它轉換為數量平均,則數量的平均徑誤差是0.5%的立方根,小于1.0%。在實際應用中,這意味著如果我們用電子顯微鏡且我們真正想得到的是體積或質量分布,則忽略或丟失1個10u粒子的影響與忽略或丟失1000個1u粒子的影響相同。由此我們必須意識到這一轉換的巨大的危險。在MalvernSizers這種型號的儀器中,DOS系統與Windows軟件都可計算其它導出的直徑,
但我們必須在怎樣解釋這些導出的直徑方面很謹慎。依據以下的等式(Hatch-Choate轉換)(參考7),不同的平均值可互相轉換。(計算方法略)
測量粒徑與導出粒徑
我們已看到,Malvern激光衍射技術是分析光能數據來得出顆粒體積分布(對于弗朗和費理論,投影面積分布是假定的)。這一體積分布就像以上所列的那樣可轉換成任何一個數量或長度直徑。
但是在任何一個分析方法中,我們必須意識到這種轉換的結果(見上一段“數量,長度,體積/質量平均數之間的轉換”)哪個平均徑是由儀器實際測量的,哪些是由測量值導出的。相對于導出的直徑,我們應更相信所測直徑。實際上,在一些實例中,完全依靠導出數據是很危險的。例如,Malvern激光粒度儀以m2/cc或m2/kg的形式給