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，現已研制并生產了200多種基于各種工作原理的分析測量裝置，并且不斷有新的顆粒粒度測量方法和測量儀器研制成功。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。傳統的顆粒測量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應法等，近年來發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、基于顆粒步朗運動的粒度測量法及質譜法等。其中激光散射法和光子相干光譜法由于具有速度快、測量范圍廣、數據可靠、重復性好、自動化程度高、便于在線測量等優點而被廣泛采用。
（1）顯微鏡法 顯微鏡法（microscopy）是一種測定顆粒粒度的常用方法。根據材料顆粒度的不同，既可采用一般的光學顯微鏡，也可以采用電子顯微鏡。光學顯微鏡測定防衛為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納里顆粒的形貌進行觀察時，由于顆粒間普遍存在范德瓦耳斯力和庫侖力，顆粒極易團聚形成球團，給顆粒粒度測量帶來困難，需要選用分散劑或適當的操作方法對顆粒進行分散。傳統的顯微鏡法測定顆粒粒度分布時，通常采用顯微拍照法大量顆粒粒度的分析統計。由于測量結果受主觀因素影響較大，測量精度不高，而且操作繁重費時，容易出錯。近年來采用綜合圖象分析系統可以快速而準確地完成顯微鏡法中的測量和分析系統工作。綜合性的圖象分析系統可對顆粒粒度進行自動測量并自動分析系統。顯微鏡對被測顆粒進行成像，然后通過計算機圖象處理技術完成顆粒粒度的測定。圖象分析技術因其測量的隨機性、統計性和直觀性被公認是測定結果與實際粒度分布吻合的測試技術。其優點是可以直接觀察顆粒是否團聚。缺點是取樣的代表性差，實驗結果的重復性差，測量速度慢。
（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，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實施測定的，此時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定顆粒粒度；顆粒想狀應當接近于球形，并且完全被液體潤濕；顆粒在懸浮體系的沉降速度是緩慢而恒定的，而且達到恒定速度所需時間很短；顆粒在懸浮體系中的布朗運動不會干擾其沉降速度；顆粒間的相互作用不影響沉降過程。測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出不同變化，根據測量光束通過懸浮體系的光密度變化便可計算出顆粒粒度分布。其優點是測量質量分布。其優點是測量質量分布，代表性強，測試結果與儀器的對比性好，價格比較便宜。缺點是對于小粒子的測試速度慢，重復性差；對非球形粒子的誤差大，不適合于混合物料，動態范圍比激光衍射法窄。
（3）光散射法 光散射法（light scattering）的研究分為靜態和動態兩種，靜態光散射法（即時間平均散射）測量散射光的空間分布規律，動態光散射法則研究散射光在某固定空間位置的強度隨時間變化的規律。成熟的光散射理論主要有夫朗和費（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。當一束波長為λ的激光照射在一定粒度的球形小顆粒上時，會發生衍射和散射兩種現象，通常當顆粒粒徑大于10λ時，以衍射現象為主；當衍射現象為主；當粒徑小于10λ時，則以散射現象為主。一般，激光衍射式粒度儀僅對粒度在5 ?m以上的樣品分析較準確；而動態光散射粒度儀則對粒度在5 ?m以下的納米、亞微米顆粒樣品分析準確。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，而實際上被測顆粒多為不規則形狀并呈多分散性。因此，顆粒的形狀、粒徑分布特性對zui終粒度分析結果影響較大，而且顆粒形狀越不規則、粒徑分布越寬，分析結果的誤差就越大。但激光粒度分析法具有樣品用量少、自動化程度高、快速、重復性好并可在線分析等優點。缺點是這種粒度分析方法對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，分析過程中需要稀釋，從而帶來一定的誤差。在利用激光粒度儀對體系進行粒度分析時，必須對被分析體系的粒度范圍事先有所了解，否則分析結果將不會準確。目前的激光粒度儀多以500~700nm波長的激光作為光源，因此，先社式粒度儀對粒徑在5 ?m以上的顆粒分析結果比較準確，而對于粒徑小于5 ?m的顆粒則采用了一種數學上的米氏修正。因此，她對亞微米和納米級顆粒的測量有一定的誤差，甚至難以準確測量。而對于散射式激光粒度儀，則直接對采集的散射的散射光信息進行處理，因此，她能夠準確測定亞微米、納米級顆粒，而對粒徑大于5 ?m的顆粒來說，散射式激光粒度儀則無法得出準確的測量結果。
激光光散射法可以測量20~3500nm的粒度分布，獲得的是等效球體積分布，測量準確，速度快，代表性強，重復性好，適合混合物料的測量。缺點是對于檢測器的要求高，各儀器測量結果對比差。利用光子相關光譜方法可以測量1~3000nm范圍的粒度分布，特別適合超細研究。測量體積分布，準確性高，測量速度快，動態范圍寬，可以研究分散體系的穩定性。其缺點是不適用于粒度分布快的樣品測定。