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粒度測試中的一次粒徑和二次粒徑問題初探
2015年02月12日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:14289
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      使用粒度儀測試超細粉體過程中, 有一個不太好定性的問題,那就是一次粒徑和二次粒徑問題。對于多數粉體顆粒,它有一定的大小,廣義角度看單個顆粒是一個個體。但是從嚴謹角度說它依然是個可再分的由更小顆粒組成的群體。這時候問題就產生了,我們對顆粒進行粒度分析時,到底是希望測試粉體被分散到什么程度時的粒度分布呢?舉個例子:納米硫酸鋇和納米碳酸鈣粉體,電鏡拍攝的照片顯示,單晶顆粒都在幾十或者幾百納米級別,但是激光粒度儀測試結果通常是微米級別的粒度分布,相差一個數量級。是激光粒度儀錯了嗎?其實不是。

納米碳酸鈣電鏡圖片


      納米材料的表面能極大,化學法生產的納米硫酸鋇和碳酸鈣,只是在化學結晶過程中產生的晶體是納米級的。由于硫酸鋇和碳酸鈣的納米晶體表面能很大,這些晶體通常會幾顆或者幾十顆的團聚在一起,成為難以分散開的微米級顆粒。這類粉體,由于晶體顆粒已經達到納米級別,雖然團聚體是微米級或者亞微米級的,但依然被稱為納米材料。超細碳酸鈣國標GB/T 19690-2004中,提出了一次粒徑和團聚指數的說法。規定碳酸鈣結晶體粒徑d(一次粒徑)采用電鏡測量或者XRD線寬化法測量。晶體團聚體的平均粒徑D則規定使用激光粒度儀測量。團聚指數T=D/d。


      有了納米碳酸鈣的實例后,再回過頭來討論的是一次粒徑和二次粒徑概念。坦白的說,顆粒學界并未就兩種粒徑概念作出明確的定義。只能從應用角度去討論這兩種粒徑的區別。簡單的說,二次粒徑就是一次粒徑顆粒的團聚體的粒徑。這時,團聚體的團聚力量強弱是關鍵因素。舉兩個比較極端的例子:一塊堅硬的石灰石,是由無數微晶體碳酸鈣聚合成的,聚合力非常強,所以從常識性角度說,沒人會說它是粉體。一把潮濕的粘土,也許主要成分就是微米級毫米級二氧化硅、氧化鋁粉體。放在水中攪拌,很容易就分散成微米級或毫米級的懸浮顆粒。所以將一把粘土說成是粉體,并無大礙。這兩個極端實例說明,一個“顆粒”到底是算是粉體團聚體還是一個顆粒,只要恰當的定義它內部微觀晶體顆粒的團聚力量大小,小于某個值的是粉體團聚體,大于某個值的是單個顆粒。這時一次粒徑和二次粒徑就有了區分的依據。


      對一次粒徑和二次粒徑的討論是非常有意義的。例如:在行業標準為制定前,納米碳酸鈣的粒徑檢測是非常尷尬的。化學法生產的納米碳酸鈣,碳酸鈣晶體是很容易控制在納米級的。但是使用普及的激光粒度儀或者沉降儀進行測試時,往往得到的都是微米級結果。但是在高端的掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、隧道掃描電鏡(STM)觀測下,我們看到的基本都是納米級晶粒。如果不建立一次粒徑和二次粒徑概念,這種矛盾無法調和。納米碳酸鈣粉體的粒度質量參數無法量化。


      有些測試人員片面認為照片拍攝的東西絕對可靠,是粒度儀測試不準。這樣判斷過于主觀了。這類檢測方法獲得的數據一般是一次粒度分析。但如果粉體樣品微粒是不均勻的,且團聚體是不易分散體(使用強力的分散劑或者超聲波震蕩都無法分散),此時電鏡法得到的一次粒度分析結果一般很難代表實際樣品顆粒的分布狀態。因為這類粉體在使用過程中由于難于分散,根本無法充分體現納米級粉體的優勢。此時,用高速離心沉降法、激光粒度分析法和電超聲粒度分析法測試得到的二次粒徑粒度數據更有指導意義。


      再舉一個特殊的例子,熱電廠用的煤粉。前面都是用了有強聚合力的粉體來討論一次、二次粒徑。煤粉則是弱聚合力粉體的典型代表。為了鍋爐內燃料燃燒充分、穩定,熱電廠通常要將天然開采的煤炭粉碎成幾十微米級別的煤粉。相對準確的控制煤粉粒度分布是有意義的。早期,熱電廠也購置了激光粒度儀進行煤粉的粒度檢測。但是很快就遇到了粒度儀檢測數據與篩分法數據有接近一個數量級的差異的問題。經過分析后,發現問題其實很簡單。濕法測試的激光粒度儀的進樣器,其使用的高速旋轉的水泵可以輕易的將煤炭粉體再次分散粉碎。測試出的粒度分布數據當然比篩分法細很多。找到原因后,問題很快解決,使用干法激光粒度儀,用較低的進樣氣壓進行測試,進樣器不再會對脆弱的煤粉產生明顯的粉碎效應,測試結果符合真實情況。


      納米碳酸鈣和煤粉是兩個極端的例子。納米碳酸鈣二次粒子是一次粒子的強力聚合體,煤粉則是松散聚合體。如果不對一次粒徑和二次粒徑概念進行區分和定義。對這兩種樣品進行有效的粒度分布測試是困難的。因為各種粒度檢測儀器其實都沒有錯,但是我們能說是粉體的自己的錯嗎?所以,展開對粉體樣品的一次粒徑和二次粒徑概念的討論和定義非常有必要。

(粉體圈   作者:敬之)

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