粒度分析及粒度标准物质研究进展

邵鸿飞，柴娟，黄辉

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

粒度分析及粒度标准物质研究进展

邵鸿飞，柴娟，黄辉

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

综述了当前粒度分析测试方法的研究进展，并简单介绍了各种测试方法的基本原理以及包括美国、欧洲、中国在内的国家和地区在粒度标准物质方面的研究概况。

粒度分析；粒度标准物质；进展

现实生活中，有很多领域诸如能源、材料、医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等都与材料的粒度息息相关。在高分子材料方面，如聚乙烯树脂是一种多毛细孔的粉状物质，其性质和性能不仅受分子特征（相对分子质量、相对分子质量分布、链结构）影响，而且与分子形态学特征（如颗粒表面形貌、平均粒度、粒度分布）有密切的关系。聚乙烯树脂分子和形态学则决定了聚合物成型加工时的特征和制品性能。研究表明，树脂的颗粒形态好、平均粒径适中、粒度分布均匀有利于聚合物成型加工，因此，需要对聚乙烯树脂进行粒度分析测试。

在纳米添加剂改性塑料中添加纳米材料作为填充材料，不仅可以增加塑料的机械强度，还可以增加塑料对气体的密闭性能及增加阻燃性能。这些性能直接与添加的纳米材料的形状、颗粒大小及分布等因素有着密切关系，因此，必须对纳米添加剂进行颗粒度的表征和分析。

在现代陶瓷材料方面，纳米颗粒构成的功能陶瓷是目前陶瓷材料研究的重要方向。使用纳米材料形成功能陶瓷材料可以显著改变功能陶瓷的物理化学性能，如韧性等。陶瓷粉体材料的许多重要特性均由颗粒的平均粒度及粒度分布等参数所决定。

在涂料领域，颜料粒度决定其着色能力，添加剂的颗粒大小决定了成膜强度和耐磨性能。

在电子材料领域，荧光粉粒度决定电视机、监视器等屏幕的显示亮度和清晰度。

在催化剂领域，催化剂的粒度、分布及形貌也部分地决定其催化活性。

因此，随着科学技术发展，颗粒粒度分析技术日益受到人们的重视，已经逐渐发展成为测量学中的一个重要分支。

1 粒度测试方法

随着材料粒度检测要求的不断提高，各种粒度测试方法应运而生，例如透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光子相关谱、激光衍射等的应用。然而，在粒度测量中经常遇到的问题是，使用不同测试方法，表面相同的材料会得到不同的测量结果，实际测量的不同表面和尺寸参数，数值可能有很大差异。以下对粒度测量的方法及原理作简单介绍。

（1）显微镜法

显微镜法（microscopy）是一种测定颗粒粒度的常用方法。根据材料颗粒度的不同，既可采用一般的光学显微镜，也可以采用电子显微镜。光学显微镜测定范围为0.8～150 μm，小于0.8 μm者必须用电子显微镜观察。扫描电镜和透射电子显微镜常用于直接观察大小在1 nm～5 μm范围内的颗粒，适合纳米材料的粒度大小和形貌分析。

显微镜法可以了解在制备过程中颗粒的形状，绘出特定表面的粒度分布图，而不只是平均粒度的分布图。但是在用电子显微镜对纳米颗粒的形貌进行观察时，由于颗粒间普遍存在范德华力和库仑力，颗粒极易团聚形成球团，给颗粒粒度测量带来困难，需要选用分散剂或适当的操作方法对颗粒进行分散。传统的显微镜法测定颗粒粒度分布时，通常采用显微拍照法对大量颗粒粒度分析统计。由于测量结果受主观因素影响较大，测量精度不高，而且操作繁琐费时，容易出错。

近年来，采用综合图象分析系统快速而准确地完成显微镜法的测量和分析工作。综合性的图象分析系统可对颗粒粒度进行自动测量和自动分析。显微镜对被测颗粒进行成像，然后通过计算机图象处理技术完成颗粒粒度的测定。图象分析技术因其测量的随机性、统计性和直观性被公认是测定结果与实际粒度分布吻合最好的测试技术。其优点是可以直接观察颗粒是否团聚；缺点是取样的代表性差，实验结果的重复性差，测量速度慢。

（2）沉降法

沉降法（sedimentation size analysis）的原理是基于颗粒处于悬浮体系时，颗粒所受离心力、浮力和黏滞阻力三者平衡，且黏滞阻力服从斯托克斯原理来实施测定的。值得注意的是，只有满足下述条件才能采用沉降法测定颗粒粒度：①颗粒形状应当接近于球形，并且完全被液体润湿；②颗粒在悬浮体系中的沉降速度是缓慢而恒定的，而且达到恒定速度所需时间很短；③颗粒在悬浮体系中的布朗运动不会干扰其沉降速度；④颗粒间的相互作用不影响沉降过程。测定颗粒粒度的沉降法分为重力沉降法和离心沉降法两种，重力沉降法适用于粒径为2～100 μm的颗粒，而离心沉降法则适用于粒径为10～20 μm的颗粒。沉降法的优点是能测量粒子的质量分布，代表性强，测试结果与仪器的对比性好，成本较为低廉，缺点是对于小粒子的测试速度慢，重复性差；对非球形粒子的误差大，不适合于混合物料，动态范围比激光衍射法窄。

（3）光子相关光谱法

光子相关光谱法主要用于测量分散于液体中的颗粒的平均粒径，该方法所适用的颗粒粒径范围从几纳米至大约1 μm，或至颗粒开始沉降时的粒径。

光子相关光谱法粒度分析仪的测量原理：被测样品颗粒以适当的浓度分散于液体介质中，一单色激光光束照射到此分散体系，由颗粒散射的光在某一角度被连续地测量。由于颗粒受到周围液体中分子的撞击作布朗或热运动，观察到的散射光强度将不断地随时间起伏涨落。假设颗粒都是各向同性的和球形的，分析这些散射光强度随时间涨落的函数可获得与粒径有关的分散颗粒的相关信息。

光子相关光谱(pcs)技术能够测量粒度为纳米量级的悬浮物粒子，它在纳米材料、生物工程、药物学以及微生物领域有广泛的应用前景。

（4）激光衍射法

激光衍射法是将一个有代表性的试样，在装有适当液体或气体的容器中分散成适当浓度，然后使其通过单色光束，光遇到颗粒后以各种角度散射，由多元探测器测量这些光束，并且记录散射图上相应的数值用于随后的分析。然后通过适当的光学模型和数学程序转化记录下来的散射光数据，计算某一粒度颗粒相对于总体积的百分比，从而得出粒度体积分布。

（5）激光散射法

激光散射技术是指用激光作光源，在入射光方向以外，借检测散射光强度、频移及其角度依赖等而得到粒子重量、尺寸、分布及聚集态结构信息等方法的统称，有着广阔的用途。就检测纳米材料而言，主要涉及频移及其角度依赖性的检测，这种散射技术又称动态光散射、准弹性光散射及光子相关光谱，分别以测定参数的性质、能量转移的大小及测定方法的原理而得名。

2 粒度标准物质国内外研究概况［1–5］

由于粒度表征的复杂性和测量原理不同，粒度测量方法无不例外地需要粒度标准物质进行校正和验证，国际上使用的粒度标准物质通常是单分散的聚苯乙烯乳胶球，还有二氧化硅微球和氧化锆微球等。以下分别就国内外粒度标准物质的研究现状作简要介绍。

2.1 美国 NIST［6］

表1列举了美国NIST研制的粒度标准物质，它们的成分不尽相同，SRM 659由等轴氮化硅颗粒与最小量的大聚结体组成；SRM 1978由粒状、不规则的氧化锆颗粒与最小量的大聚结体组成；SRM 1982由扫描电子显微镜、激光散射和筛分测量的球形颗粒组成。SRM 1003b，1004a，1017b，1018b和1019b各由覆盖一个粒度分布范围的碱石灰玻璃珠组成。SRM 1690，1691，1692和1693是商业化制造的水质悬浮液中的乳胶颗粒。SRM s1690和1691（也称“太空珠”）是水质悬浮液中的乳胶颗粒。SRM 1695由两组不同的SRM 1690颗粒组成。

表1 NIST粒度标准物质目录

除NIST外，美国Duke，Bangs Laboratories Inc，Microspheres-Nanospheres Co，Polysciences Inc等高科技企业也提供数量可观的粒度标准物质。

2.2 欧洲［7–10］

欧共体标准局公布了3种有证粒度标准物质，标称尺寸分别为2，4.8，9.6 μm，这3种粒度标准物质主要用作血液细胞粒度标准物质，也可作为工业应用标准物质。此外，一系列石英粒度标准物质已经研发出来，用它们可对基于粒度分布测量的不同技术的测量结果进行比较。表2列出了欧共体标准局(BCR)研制的粒度标准物质

表2 欧共体标准局粒度标准物质目录

2.3 中国［11-17］

我国的中国计量科学研究院、中国石油大学、中国科学院过程工程研究所等单位近年来也研制了一些粒度标准物质，表3中列举了我国一级粒度标准物质的简要情况。

此外，我国的一些科研单位还研制了数量可观的粒度二级标准物质。

3 结语

随着纳米材料在高新技术产业、国防、医药等领域的广泛应用，颗粒测量技术将向测量下限低、测量范围广、测量准确度和精密度高、重现性好等方向发展，从而对粒度标准物质的研制提出了更高要求。今后，对纳米材料粒度标准物质的研究仍然是重点发展的技术领域。

表3 我国一级粒度标准物质目录

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［2］王毅民，等 .地质通报，2009(1): 137–145.

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［5］董鹏 .岩矿测试，1998，14(2): 5–9.

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［17］全浩，韩永志.标准物质及其应用技术［M］.北京：中国标准出版社，2003: 69.

Research Progress of Particle Size Analysis and Particle Size Standard Reference Material

Shao Hongfei, Chai Juan, Huang Hui
(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

The progress of the current particle size analysis test methods was summarized. The basic principle of all kinds of test methods was introduced briefly. The particle size standard material researches in the United Sates, Europe and China were reported.

particle size analysis; particle size standard reference material; progress

O655.9

A

1008–6145(2012)02–0099–03

10.3969／j.issn.1008–6145.2012.02.031

联系人：邵鸿飞；E-mail: shaohongfei@163.com

2012–01–08