一、顆粒形狀的概念

顆粒形狀是指一個顆粒的輪廓邊界或表面上各點所構成的圖像，它是除粒徑外顆粒的另 一幾何特征。顆粒形狀直接影響了粉體的許多其他性質，如粉體的比表面積、流動性、壓縮 性、固著力、填充性、研磨特性和化學活性，亦直接與粉體在混合、壓制、燒結、儲存、運輸 等單元過程的行為相關。

在工程中，根據粉體的應用領域，人們對顆粒的形狀有不同的要求。例如，用作砂輪的 研磨料，要求顆粒形狀具有棱角，表面粗糙；添加在涂料中的粉體要求其顆粒為片狀，以使 其附著力強，反光效果好；高速干壓法成形的墻體磚坯粉，要求在模具中充填迅速、排氣流 暢，以球形顆粒為佳。粉體顆粒的形狀與其加工制備過程密切相關，如簡單擺動顎式破碎機 會產生較多的片狀產物，噴霧干燥制備的粉體多為球狀顆粒。

由于顆粒的形狀千差萬別，描述顆粒形狀的方法可分為兩類，即語言術語和數學術語。 表1給出描述顆粒形狀的常用術語。盡管某些術語并未精確地描述顆粒的形狀，但大致  反映了顆粒形狀的某些特征，因此這些術語在工程中仍被使用。

另一方面，在理論研究和工程實際中，往往將形狀不規則的顆粒假定為球形；然而這也 是造成理論計算與實際情況出入很大的主要原因之一。為此，一般需要將有理論公式的顆粒 尺寸乘以表示形狀影響的系數加以修正。描述和闡明顆粒形狀及特性的參數有形狀指數和形狀系數。

表1 描述顆粒形狀的基本術語

二、形狀指數與形狀系數

1.形狀指數

形狀指數(shape index)通常是指將表示顆粒外形的幾何量的各種無因次組合。形狀指數是對單一顆粒本身幾何形狀的指數化，它是根據不同的使用目的，給出顆粒理想的形狀圖像，然后將理想形狀與實際形狀進行比較，找出兩者之間的差異并指數化。

2.形狀系數

形狀系數不同于形狀指數。形狀指數僅是對顆粒本身幾何形狀的指數化。而形狀系數則是在表示顆粒群性質、具體物理現象和單元過程等函數關系時，把顆粒形狀有關的諸因素概括而成為的一個修正系數。實際上，形狀系數是用來衡量實際顆粒形狀與球形或長方體顆粒形狀的差異程度。

必須指出的是，由于顆粒的粒徑表示方法很多，因此采用不同的粒徑表示方法可以定義出不同的形狀系數。另外，粒徑值又與粒徑測量方法有關，因此形狀系數的數值也隨測量方法不同而異。所以在使用形狀系數時， 一定要注意顆粒粒徑的具體表達形式。

三、粉體顆粒的分析

粉體顆粒的粒徑、形狀和表面積會顯著影響粉體及其產品的性質和用途，因此，對粉體 粒徑和形狀的測量越來越受到人們的重視。例如，水泥的強度與其細度有關，人造金剛石粒徑和粒徑分布與晶型決定了其質量等級，催化劑粉體的粒徑和比表面積對其催化活性有重 要影響。另外，各種粉體和其加工單元過程也往往需要用粒徑和粒徑分布來評價。

粒徑測定有多種方法，從簡單的儀器一直到結構復雜且帶有數據處理系統的高級裝置，種類繁多。不過復雜裝置所求得的粒徑也未必就準確。應該根據具體使用目的，對其適應性以及測定值的物理意義作出正確的判斷，靈活利用高級裝置簡便與快速的性能。

1、篩析法

所謂篩析法就是利用篩孔尺寸由大到小組合的套篩，借助振動把粉體分成若干等級，稱  量各級粉體的重量，即可計算用重量百分比表示的粒徑組成。它只遵循簡單的“極限量規”原理，所以其測定值不受復雜的物理因素的影響。篩析法不僅能夠測定粒徑分布，還可使粒徑范圍變得狹小(使粉體粒徑齊整化),所以此法還可作為劃一粒徑(粒徑均一)的一種手段。這種粒徑測定法的粒徑范圍為5~125 mm,主要用于粒徑較大顆粒的測量。一般，以干式篩析為主，在細粒范圍內也采用濕式篩析。

粉體通過每一級篩子，可分成兩部分，即留在篩上面的較粗的篩上物和通過篩孔粒徑較細的篩下物。篩網的孔徑和粉體的粒徑通常用微米、毫米或目數來表示。所謂目數是指篩網1英寸(25.4 mm)長度上的網孔數。篩網目數越大，篩孔越細，反之亦然。

篩分法分析粒徑組成時，實際收得各粒級粉體總量不小于試樣質量的0.1%時，取為篩分終點。每次篩分時，實際收得各粒級粉體總量應不小于試樣的98%,否則需要重新測定。

隨著篩分應用的推廣，各種各樣的振篩機也層出不窮，有古老的旋敲式搖篩機，有應用 于細粉或較輕試樣的聲波篩，以及用于漿狀試樣的篩漿機，超高重力加速度搖篩機以及噴氣 篩。現在RETSCH生產的全自動篩分儀，附帶控制系統和分析處理軟件，可以通過電腦對整 個篩分過程進行控制和記錄，通過屏幕顯示整個篩分過程及分析結果一 目了然，使篩分實現 了自動化，提高了篩分精度，節省了篩分時間。

2、沉降光透法

沉降法粒徑測試技術是指通過顆粒在液體中沉降速度來測量粒徑分布的方法。沉降粒徑 分析一般要將樣品與液體混合制成一定濃度的懸浮液。液體中的顆粒在重力或離心力等力的 作用下開始沉降，顆粒的沉降速度與顆粒的大小有關，大顆粒的沉降速度快，小顆粒的沉降 速度慢。為此只要測量顆粒的沉降速度，就可以得到反映顆粒大小的粒徑分布。但在實際測 量過程中，直接測量顆粒的沉降速度是很困難的。所以通常用在液面下某一深度處測量懸浮 液濃度的變化率來間接地判斷顆粒的沉降速度，進而測量樣品的粒徑分布。

沉降光透法原理

由Stokes定律知道，對于較粗樣品，可以選擇較大黏度的液體作介質來控制顆粒在重力 場中的沉降速度，對于較小的顆粒，在重力作用下的沉降速度很慢，常用離心手段來加快細 顆粒的沉降速度。所以目前的沉降式粒徑儀，一般采用重力沉降和離心沉降結合的方式，這樣既可以利用重力沉降測量較粗的樣品，也可以用離心沉降測量較細的樣品。其樣品的測量范圍為0.1～300μm。

圖2 離心沉降式粒度儀結構示意圖

圖2為某離心沉降式粒度儀結構示意圖。它的基本工作過程是將配制好的懸浮液轉 移到樣品槽中，并將樣品槽放到儀器上。用一束平行光在一定深度處照射懸浮液。將透過的 光信號接收、轉換并輸入到電腦中，同時顯示該信號的變化曲線。隨著沉降的進行，懸浮液 中的濃度逐漸下降，透過懸浮液的光量逐漸增多。當所有預期的顆粒都沉降到測量區以下時，測量結束。通過電腦對測量過程光信號進行處理，就會得到粒度分布數據。

3.激光衍射法

目前，激光衍射法已經成為粒度測試領域的主流技術。它可以實現對于各種氣溶膠、懸 浮液、乳濁液和氣霧劑的在線粒度檢測。

（a)小顆粒的衍射角大  (b)大顆粒的衍射角小

光的散射現象示意圖

激光粒度儀是利用顆粒對光的散射(衍射)現象測量顆粒大小的，即光在行進過程中遇到顆粒(障礙物)時，會有一部分偏離原來的傳播方向；顆粒尺寸越小，偏離量越大。顆粒尺寸越大，偏離量越小。散射現象可用嚴格的電磁波理論，即Mie(米氏)散射理論描述。當顆粒尺寸較大(至少大于2倍波長),并且只考慮小角散射(散射角小于5°)時，散射光場也可用較簡單的Fraunhoff衍射理論近似描述。

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