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粒度测试的基本方法

  粒度测试的方法很多,具统计有上百种。目前常用的有沉降法、激光法、筛分法、图像法和电阻法五种,另外还有几种在特定行业和领域中常用的测试方法。

  1、沉降法:

  沉降法是根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方法。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液,悬浮液中的颗粒在重力或离心力作用下将发生沉降。不同粒径颗粒的沉降速度是不同的,大颗粒的沉降速度较快,小颗粒的沉降速度较慢。那么颗粒的沉降速度与粒径有怎样的数量关系,通过什么方式反映颗粒的沉降速度呢?

  ①Stokes定律:在重力场中,悬浮在液体中的颗粒受重力、浮力和粘滞阻力的作用将发生运动,其运动方程为:

  这就是Stokes定律。

  从Stokes定律中我们看到,沉降速度与颗粒直径的平方成正比。比如两个粒径比为1:10的颗粒,其沉降速度之比为1:100,就是说细颗粒的沉降速度要慢很多。为了加快细颗粒的沉降速度,缩短测量时间,现代沉降仪大都引入离心沉降方式。在离心沉降状态下,颗粒的沉降事度与粒度的关系如下:

  这就是Stokes定律在离心状态下的表达式。由于离心转速都在数百转以上,离心加速度ω2r远远大于重力加速度g,Vc>>V,所以在粒径相同的条件下,离心沉降的测试时间将大大缩短。

  ②比尔定律:

  如前所述,沉降法是根据颗粒的沉降速度来测试粒度分布的。但直接测量颗粒的沉降速度是很困难的。所以在实际应用过程中是通过测量不同时刻透过悬浮液光强的变化率来间接地反映颗粒的沉降速度的。那么光强的变化率与粒径之间的关系又是怎样的呢?比尔是律告诉我们:

  设在T1、T2、T3、……Ti时刻测得一系列的光强值I1<I2<I3……<Ii,这些光强值对应的颗粒粒径为D1>D2>D3>……>Di,将这些光强值和粒径值代入式(5),再通过计算机处理就可以得到粒度分布了。

  2、激光法:

  激光法是根据激光照射到颗粒后,颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布的。由激光器的发生的激光,经扩束后成为一束直径为10mm左右的平行光。在没有颗粒的情况下该平行光通过富氏透镜后汇聚到后焦平面上。如下图所示:

  当通过适当的方式将一定量的颗粒均匀地放置到平行光束中时,平行光将发生散现象。一部分光将与光轴成一定角度向外传播。如下图:

  那么,散射现象与粒径之间有什么关系呢?理论和实验都证明:大颗粒引发的散射光的角度小,颗粒越小,散光与轴之间的角度就越大。这些不同角度的散射光通过富姓氏透镜后在焦平面上将形成一系列有不同半径的光环,由这些光环组成的明暗交替的光斑称为Airy斑。Airy斑中包含着丰富粒度信息,简单地理解就是半径大的光环对应着较小的粒径;半径小的光环对应着较大的粒径;不同半径的光环光的强弱,包含该粒径颗粒的数量信息。这样我们在焦平面上放置一系列的光电接收器,将由不同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号,并传输到计算机中,通过米氏散理论对这些信号进行数学处理,就可以得到粒度分布了。

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