粉体的特性表征粉体的平均粒径.ppt

材料科学与工程学院,粉体成形技术,李生娟 Tel:55271708 Email:,第一部分 粉体成形原理,1.1 颗粒和粉体的基本概念 1.2 颗粒的物性及表征1.3 粉体的物性1.4 粉体成形原理,粉体成形原理,1.1 颗粒和粉体的基本概念,一.概念 粉体物料：常态下以较细的粉粒状态存在的物料，简称粉体。粉体物料是由无数颗粒组成的。从宏观角度看，颗粒是粉体物料的最小单元。构成粉体颗粒的大小：几纳米数百微米几十毫米（小：电子显微镜才能看清大：肉眼可分辨的毫米）粉体性能的基础：颗粒的大小（粒度）、分布（不同粒度颗粒所占比例）、结构形态和表面形态等。,粉体是同种或多种颗粒的集合体,粉体成形原理,二.粉体的分类：,按粒径大小分：大颗粒粉体、超微粉体 超微粉体（超细粉体）-粒径小于100微米。又分为：微米粉体（1100um）；亚微米粉体（0.11um）；纳米粉体（1100nm，即0.0010.1um）按组成形式分：单分散粉体组成粉体的颗粒的大小、形状都一样。（自然界少见，尤其是超微单分散粉体极为罕见，化学人工合成可得，物理机械方法难得）多分散粉体参差不齐的不同大小的颗粒组成，形状各异。,绪 论,材料科学与工程学院,三.颗粒的分类,按颗粒的构成分：原级颗粒、聚集体颗粒、凝聚体颗粒、絮凝体颗粒1）原级颗粒：最先形成粉体物料的，第一次以固态存在的颗粒。一次颗粒、基本颗粒 是构成粉体的最小单元，形状：立方体、针状、球状、不规则晶体状原级颗粒的分散状态，单独存在的大小、形状最能反映粉体的固有性能,绪 论,2）聚集体颗粒：原级颗粒靠某种化学力与其表面相连、堆积而成的。二次颗粒。（硬团聚）是在加工、制造过程中因物理、化学作用形成的（高温脱水、晶型转换、晶体生长、熔融等），结合力强，很难分散。聚集体颗粒的总表面积原级颗粒表面积总和,材料科学与工程学院,3）凝聚体颗粒：原级颗粒、聚集体颗粒或两者的混合物以较弱的附着力结合在一起的疏松颗粒体，有些以棱角结合。三次颗粒。（软团聚）是在制造、加工处理中形成的（如干燥）。其结合力不强，如表面力（范德华力、静电力等），结构较松散，可通过机械力分散，如研磨分散力、高速搅拌剪切力。总表面积：原级颗粒凝聚体颗粒聚集体颗粒4）絮凝体颗粒在液固分散体系中，颗粒间的物理力松散结合形成的粒子群。易解絮，可通过微弱的剪切力、表面活性剂（分散剂）来解絮。长期贮存的粉体材料，都可看成是大气水分形成的液固分散体系故有絮凝体产生松散的絮团料块,绪 论,材料科学与工程学院,颗粒大小和形状表征,粉体特性的表征,粉体的粒度与比表面测定,1.2、颗粒和粉体的物性与表征,材料科学与工程学院,1.2.1 颗粒大小和形状表征,一、颗粒的大小,颗粒的大小用颗粒在空间范围所占据的线性尺寸表示。球形颗粒直径就是粒径（particle diameter）。粉体系统的颗粒平均大小称为粒度（particle size），习惯上将粒径和粒度两词通用。非球形颗粒用球体、立方体或长方体的代表尺寸表示。最普遍的用球体当量直径或当量径（equivalent diameter）。当量直径与颗粒的各物理意义相对应。,粉体成形原理,直径D,直径D、高度H,？,颗粒的大小,粉体成形原理,1.2.1 颗粒大小和形状表征,人为规定了一些所谓尺寸的表征方法,粉体成形原理,粒径表示方法当量径三维尺寸(三轴径)统计平均径粒度的分布频率分布累计分布平均粒径尺寸分布宽度,1.2.1 颗粒大小和形状表征,颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径,当量径,等效圆球体积直径,粉体颗粒的尺寸 1）当量径,粉体成形原理,粉体颗粒的尺寸 1）当量径,粉体成形原理,国际标准筛制：Tyler(泰勒)标准 单位：目目数为筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数,(a，d单位mm),25.4,a,d,当量径-筛分径,粉体颗粒的尺寸 1）当量径,粉体成形原理,当量径,筛分径：当颗粒通过粗筛网并停留在细筛网上时，粗细筛孔的孔径范围称为筛分径。例：粉末的粒径为4560目表示该粉末可通过45目粗筛网，而停留在60目筛网上。目数-表示标准筛的筛孔尺寸的大小。在泰勒标准筛中，所谓网目就是2.54cm（1英寸）长度中的筛孔数目，并简称为目。例如，200目的筛子，是指这种筛子每2.54cm长度的筛网有200个筛孔，其筛孔尺寸为0.075mm（网目越少，筛孔尺寸越大）。细度为200目占70%，即表示小于0.075毫米的颗粒含量占70%。,粉体成形原理,粒度与目的关系为：目数 粒度（m)=0.0143 如：超微细为1250目，其粒度为.0143/1250=11.44m 纳米定义是小于100nm，则目数为：0.0143（10010-9）=1.43105(即14.3万目)由于存在开孔率的问题，也就是因为编织网时用的丝的粗细的不同，不同的国家的标准也不一样，目前存在美国标准、英国标准和日本标准三种，我国使用的是美国标准，也就是可用上面给出的公式计算。,第一章 颗粒物性,粉体成形原理,粉体成形原理,目数粒径对照表,等体积当量径的测量仪器,库尔特计数器,小孔管浸泡在电解液中。小孔管内外各有一电极，电流可通过孔管壁上的小圆孔从阳极流到阴极。小孔管内部处于低气压状态，因此管外的液体将源源不断地流到管内。测量时将颗粒分散在液体中，颗粒就跟着液体一起流动。当其经过小孔时，两电极之间的电阻增大。当电源是恒流源时，两极之间会产生一个电压脉冲，其峰值正比于小孔电阻的增量，也正比于颗粒体积；在圆球假设下，可换算成粒径。仪器只要准确测出每一个电压脉冲的峰值，即可得出各颗粒的大小，统计出粒度分布。,粉体成形原理,粉体颗粒的尺寸 2）三轴径,三维尺寸，三轴径（diameter of the three dimensions）最稳放置（重心最低）于每边与其相切的长方体中，长方体的三边（长l，宽b，高h）称为颗粒的三轴径。三轴径可用来表征不规则形状的颗粒大小。由三轴径计算的各平均直径（dm）及物理意义见下表,粉体成形原理,粉体颗粒的尺寸 2）三轴径,粉体成形原理,粉体颗粒的尺寸 3）投影径,投影径：利用显微镜观察颗粒的投影，沿一定方向可测量颗粒的粒径。（统计粒径，是平行于一定方向测得的线度）,（a）（c）（b）（d）,S1,S2,定向最大径dk,Martin径,Feret径,对于一个颗粒，随方向而异，定向径可取其所有方向的平均值；对取向随机的颗粒群，可沿一个方向测定。,粉体颗粒的尺寸 表征粒径说明,粉体成形原理,粉体颗粒的尺寸 表征粒径说明,颗粒不规则，Martin径和Feret径与颗粒取向有关，众多颗粒统计平均，则取向偏差可抵消，反映真实大小。同一种颗粒，采用不同测量方法得到的粒径值不尽相同。选用的粒径测定方法取决于希望控制的工艺过程，例如：颜料投影面积重要，选投影径；药剂表面积重要，选表面积直径,粒径之间的关系 Martin径、Feret径和投影面积相当径dH的关系见 右图，实验测量了254个粒径3877微米的颗粒。三者关系dF dH dM。若长短径比小，用dM代替dH偏差不会太大，但细长颗粒则偏差较大。,粉体成形原理,二、颗粒的形状,颗粒形状的定性表示,角 状针 状树 枝 状纤 维 状片 状球 状卵 石 状不规则状,粉体颗粒的形状,粉体颗粒的尺寸 表征粒径说明,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,角状SiC颗粒 c)球状Al2O3颗粒卵石状Al2O3颗粒 d)片状Al2O3颗粒,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,a）树枝状；c）纤维状；b）d）针状 氧化锌颗粒,粉体成形原理,纳米金颗粒,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,聚合物球状颗粒,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,颗粒形状的研究意义：粉体物性：粉体的堆积、流动、摩擦、压缩等性能单元操作：储运、混合与分离、结晶与烧结、成形、流态化形状系数来表示颗粒的形状特征,举例：金刚石分形机按形状分选倾角、振动频率和振幅，金刚石颗粒摩擦系数摩擦系数大 向上（如片状,树枝状等不规则颗粒）摩擦系数小 向下（如球形或卵石状颗粒）,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,颗粒形状的定量表示形状系数,颗粒的三轴径、投影径颗粒最稳放置外接长方体的尺寸：长l，宽b，高h,（1）球形度（2）扁平度m与延伸度n（3）表面积形状系数（4）体积形状系数（4）比表面积形状系数（5）斯托克斯形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比,可以看出：1)；2)颗粒为球形时，达最大值。,(1)球形度,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,各种颗粒的球形度,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,一个任意形状的颗粒，测得该颗粒的长、宽、高为l、b、h，定义方法与前面讨论颗粒大小的三轴径规定相同，则：,扁平度,延伸度,(2)扁平度m与延伸度n,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,若以Q表示颗粒的几何特征，如面积、体积，则Q与颗粒粒径d的关系可表示为：,式中，k即为形状系数。,形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,(j表示对于该种粒径的规定),与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离,(3)表面积形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,(j表示对于该种粒径的规定),(4)体积形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,与 的差别表示颗粒形状对于球形的偏离,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,表面积形状系数与体积形状系数的比值,(5)比表面积形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,一些规则几何体的形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,(6)Stokes形状系数,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,-非球形颗粒的自由沉降速度，,-球形颗粒的自由沉降速度,实验研究结果,颗粒形状术语,球形 spherical立方体 cubical片状 platy，disc棱柱状 prismoidal鳞状 flaky海绵状 sponge块状 blocky尖角状 sharp圆角状 round多孔 porous,粒状 granular棒状 rod-like针状 needle-like，acicular纤维状 fibrous树枝状 dendritic聚集状，团簇状 glomerate aggregative中空 hollow毛绒的 fluffy，nappy,粉体成形原理,粉体颗粒的形状,1.2.2 粉体颗粒粒径分布,粒径分布（particle diameter distribution）又称粒度分布，是指用简单的表格、绘图和函数形式表示粉体颗粒群粒径的分布状态。单分散体系（monodisperse）可用单一的粒径表示。实际粉体的颗粒大小不等，是多分散体系（polydisperse），颗粒粒径大小服从统计学规律将粒径设为连续的随机变量。,粉体成形原理,粒径分布 1）频率分布,（1）表格表示法（2）作图表示法 直方图（组距-频率）频率分布曲线（回归成光滑曲线）分布函数式微分函数,频率分布：表示各个粒径相对应的颗粒百分含量（微分型）频率与颗粒大小的关系百分含量的基准：颗粒个数，体积，质量，长度，面积,粉体成形原理,（1）表格表示法,粉体颗粒粒径分布,粉体成形原理,频率%,粒度,直方图（组距-频率）,（2）作图表示法,粉体颗粒粒径分布,粉体成形原理,频率分布曲线（回归成光滑曲线）,频度%,粒度,正态分布：,（d+）,-中位径，统计学中的数学期望值-标准偏差,分布函数式微分函数,粒径分布 2）累积分布,大于（或小于）某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系-累积分布函数式积分函数（1）筛下累积方式（）(100%-0)R(dp),粉体成形原理,颗粒的频率分布和累积分布,粉体成形原理,粉体颗粒粒径分布,粉体成形原理,3）表征粒径分布的特征参数,（1）中间尺寸 又称中位粒径，指颗粒百分数达到50所对应的颗粒尺寸。累积分布图中很容易找到。（2）最大频率尺寸 又称最频粒径，指频率分布图中颗粒频率峰值所对应的颗粒尺寸，即在颗粒群中个数和质量出现概率最大的颗粒粒径。频率分布式的一阶导数为零可求最频粒径。,（a）频率分布图（b）累积分布图,4）粉体颗粒尺寸分布宽度,粒度分布宽度表示法有span 法,标准偏差法,粒度频率分布图法和粒度累积分布图法。这些方法的定义不同,适用场合也不同。,粉体成形原理,(1)span 法定义:span=x(0.9)-x(0.1)/x(0.5),式中:x(0.9)-粒度累积分布图上累积百分数90%所对应的颗粒直径 x(0.1)-粒度累积分布图上累积百分数10%所对应的颗粒直径 x(0.5)-粒度累积分布图上累积百分数50%所对应的颗粒直径,span 值是一个无量纲量,表示较大颗粒与较小颗粒粒径差与平均粒径的相对变化率。只有在平均粒径相等的情况下,才能用span 法来比较颗粒群之间的分布宽度。一些进口粒度分析仪,如英国Malvern 公司的Mastersize 激光粒度仪就用span 法表示被测粒度的分布宽度。,4）粉体颗粒尺寸分布宽度,(2)标准偏差法式中:ni-某一直径范围的颗粒数;Xi-某一直径范围;-颗粒群的平均直径;N-颗粒总数,粉体成形原理,标准偏差法是从概率统计学角度定义的一种表示粒度分布的宽度表示法,表示颗粒群颗粒直径偏离平均直径的程度,越大,颗粒群的直径偏离平均直径的程度越大,粒度分布越宽。与span 法相同,标准偏差法也只适用于平均直径相同的情况。,4）粉体颗粒尺寸分布宽度,为表征颗粒尺寸的分布特征，定义颗粒尺寸分布宽度。目前还没有评价颗粒尺寸分布特征的统一标准，表征的分布特征见表。,粉体成形原理,（3）图表法 同一颗粒群不同特征物理量所对应的粒度分布特征方程差别很大。两种不同粒度的颗粒群,在平均粒径或最大粒径大致相等的情况下,在粒度频率分布图上可以很容易比较两颗粒群粒度分布的宽窄,见图1、图2,f2(x)物料的粒度分布宽度大于f1(x)物料。,4）粉体颗粒尺寸分布宽度,若两颗粒群最大粒径大致相等的话,在累积分布图上也可清楚地比较出两颗粒群粒度分布的宽窄,见图3。S1(x)物料的分布宽度大于S2(x)物料。,4）粉体颗粒尺寸分布宽度,a,b,c,d,若两颗粒群最大粒径大致相等的话,在累积分布图上也可清楚地比较出两颗粒群粒度分布的宽窄,粉体平均粒径计算公式,1.2.3 粉体的平均粒径,粉体成形原理,粉体的特性表征,粉体的平均粒径,粉体成形原理,1.2.4 颗粒间的作用力,颗粒间的的作用力 1）颗粒间的范德华力 2）颗粒间的静电作用力 3）颗粒间的毛细力颗粒的团聚性,1）颗粒间的范德华力,是组成颗粒的众多分子间的分子力的总和,颗粒在真空中 颗粒在介质中颗粒与平板之间 吸附气体作用于颗粒，增大颗粒间的范德华力颗粒的接触变形，增加接触面积，增加距离较近的分子数，则增大颗粒间的范德华力表面粗糙度增大，将降低范德华力,微粒可以看做是大量分子的集合体。Hamaker假设，微粒间的相互作用等于组成它们的各分子之间的相互作用的加和。AHamaker常数，它是物质的特征常数，与组成微粒的分子之间的相互作用有关。,2）颗粒间的静电力,相互接触的颗粒有相互运动时，颗粒间将有电荷的转移。由于电荷的转移颗粒将带电，引起颗粒间的作用力存在，称为静电力。,一些单元操作中颗粒带电强度的参考值,在某些情况下电荷随时间积累而积累，颗粒获得的最大电荷量受限于其周围介质的击穿强度，在干空气中约为1.661010电子/cm2，但实际观测值要低很多。随着电荷所产生的电场强度增加，当电荷的电场强度大于空气的击穿强度时，会由于电荷的突然放电而产生爆炸的危险。,3）颗粒间液桥力-毛细力分析,实际的粉体颗粒间往往存在水分，在颗粒间形成液桥，液桥的水分的表面张力的收缩作用将引起对两颗粒间的牵引力，称为毛细力。毛细力（液桥力）比分子力（范德华力）约大1-2个数量级。因此在湿空气中颗粒的凝聚主要是液桥力造成的，而干燥粉体则是范德华力起作用。因此在空气状态下，保持粉体干燥是防止结团的极重要措施。,毛细力分析,1.2.5 颗粒的团聚性,颗粒彼此互不相干，能自由运动的状态分散；气/液相中，由于相互作用力形成聚合的状态团聚颗粒的分散技术：化工领域涂料/染料/油墨/化妆品等，分散及分散稳定性影响产品的质量和性能；材料科学复合材料和纳米材料的制备的成败与超微粉体的分散稳定性紧密相关；原级颗粒、聚集体颗粒、凝聚体颗粒、絮凝体颗粒团聚机理的三种状态：聚集体（面相接，难分散）、凝聚体（点/角相接，较易分散）、絮凝体（更松散，空气相对湿度65%时）团聚原因：颗粒间作用力和空气的湿度,一、团聚的评价标准,团聚准数：当颗粒尺寸小于1um时，尺寸减小，团聚准数增大。团聚强度：随颗粒尺寸的减小团聚强度迅速增加,二、颗粒在空气中的团聚与分散,空气中团聚的主要原因：1）颗粒间的作用力 静电力65%时)分散的途径：1）机械分散2）干燥分散 3）表面改性4）静电分散,分散的途径：1）机械分散 机械力黏着力，强制分散 但作用力未改变，离开分散器后有可能重新聚团；且易导致脆性颗粒被粉碎；设备磨损后分散效果会下降。2）干燥分散 杜绝液桥产生或破坏已有液桥，加温干燥处理 3）表面改性 采用物理/化学方法，有目的地改变颗粒表面物理化学性质，使其具有新的机能并提高分散性；不同的改性剂不同掺入量其分散效果不同 4）静电分散 同质颗粒表面带电相同，静电力起排斥作用。接触带电、感应带电、电晕带电等方法使颗粒带电,三、颗粒在液体中的团聚与分散,颗粒表面润湿形成固、液、气三相界面，当三相界面张力达到平衡时，界面张力与平衡润湿接触角的关系为：杨氏公式（Young Equation）:-平衡润湿接触角，即自固液界面经液体到气液表面的夹角。在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度。,润湿功 润湿功越高越易润湿，即较高的界面张力和较低的接触角有助于润湿的自发进行。90o180o 不润湿或不良润湿；0o90o，部分润湿或有限润湿；=0o，完全润湿或铺展根据表面接触角的大小，固体颗粒可分为亲水性和疏水性两大类。见表。,颗粒表面润湿性的分类和结构特性关系,根据日常经验，在玻璃板上水易润湿，水银不易润湿。这是因为水分子间的引力小于水和玻璃间的引力；水银原子间的引力大于水银与玻璃间的引力所至。,有关测定结果是：水在玻璃板上的接触角约等于0 水银在玻璃板上的接触角约等于140接触角最小值为0，最大值为180接触角越小，润湿性越好。,颗粒在液体中的范德华力,颗粒在液体中，须考虑液体分子与颗粒分子群的作用以及这种作用对颗粒范德华力的影响。Hamaker常数 颗粒1、颗粒2、液体3在真空中的Hamaker常数；A131：液体3中同质颗粒1之间的Hamaker常数A132：液体3中不同质颗粒1与颗粒2之间相互作用的Hamaker常数,真空中,范德华作用力范德华力为正值，为排斥力 范德华力为负值，为吸引力 而对于同质颗粒（），恒为正，范德华力恒负，恒为吸引力，其值为真空中的1/4。,调节颗粒在液相中的分散性和稳定性的途径,改变分散相与分散介质的性质，调控Hamaker常数，使其值变小，下降颗粒间的吸引力；调节电解质及定位离子的浓度，促使双电层厚度增加，增大颗粒间排斥力；选用附着力较强的聚合物和聚合物亲和力较大的分散介质，增大排斥力。,在液体中的分散调控手段,1）介质调控 相同极性原则：非极性颗粒易于在非极性液体中分散；极性颗粒易于在极性液体中分散。,2）分散剂调控,强化颗粒间的互相排斥作用常用分散剂：无机电解质：如聚磷酸盐、硅酸钠、氢氧化钠及苏打等。在颗粒表面吸附，a）显著提高颗粒表面电位的绝对值，增强双电层静电排斥作用；b）聚合物吸附层可诱发强的空间排斥效应；c）增强颗粒表面对水的润湿程度，防止团聚表面活性剂：如阴离子型、阳离子型及非离子型表面活性剂高分子分散剂：利用其在颗粒表面形成的吸附膜的强大的空间排斥效应，对颗粒的聚集状态有明显作用，因膜厚达几十纳米，与双电层厚度相当，在颗粒相距较远时便开始显现。,在水中电离后起表面活性作用的部分带负电荷的表面活性剂称为阴离子表面活性剂,在水溶液中不产生离子的表面活性剂。非离子表面活性剂在水中的溶度是由于分子中具有强亲水性的官能团，非离子表面活性剂在数量上仅次于阴离子表面活性剂,3）超声调控,把需要处理的工业悬浮液直接置于超声场中，控制适当的超声频率及作用时间，使颗粒充分分散。超声空化时产生局部高温、高压、强冲击波和微射流等。能有效分散纳米颗粒，但存在最适宜的工艺条件。超声波的作用：a）空化效应：超声作用产生大量微气泡，在微气泡的形成和破裂过程中，释放能量，形成强烈的振动波，产生短暂的高能微环境，实现普通条件下难以发生的变化；b）共振效应：吸收超声波，悬浮液中各组分产生共振；,4）机械搅拌调控,通过强烈机械搅拌引起液流强湍流运动产生冲击、剪切及拉伸等机械力使团聚碎解。常用设备：高速转子-定子分散器、刀片分散机、辊式分散机等。离开湍流场易重新团聚。,Thats all for today,thanks!,