粒徑分布是顆粒材料科學中最核心的參數(shù)之一，它直接影響著從藥品藥效到涂料光澤度等眾多產(chǎn)品的關(guān)鍵性能。本文將系統(tǒng)介紹粒徑分布的概念、表示方法、測量技術(shù)及其在工業(yè)中的應(yīng)用。

一、什么是粒徑分布？

粒徑分布 描述的是在一個多分散的顆粒樣品中，不同尺寸的顆粒所占的比例關(guān)系。簡單來說，它回答了“樣品中各種大小的顆粒分別有多少？”這個問題。由于絕大多數(shù)工業(yè)樣品中的顆粒都不是均勻一致的，因此了解其尺寸分布比只知道一個平均尺寸要重要得多。

PSD是一種統(tǒng)計概念，通常以圖表（如曲線圖）、直方圖或數(shù)據(jù)表格的形式呈現(xiàn)。

二、粒徑分布的表示類型

根據(jù)統(tǒng)計基準的不同，粒徑分布可以分為幾種類型，從不同角度揭示樣品信息：

1. 數(shù)量分布：以顆粒的個數(shù)為基準。每個顆粒無論大小都計為1。這種分布對樣品中含量極少的超大或超細顆粒非常敏感，但在激光衍射法等基于光散射的測量中不易直接獲得。

   
   

2. 體積分布：以顆粒的體積為基準。這是激光衍射法最直接測得的分布類型。由于顆粒體積與直徑的立方成正比（V ∝ d3），一個大的顆粒在體積分布中的權(quán)重遠大于無數(shù)個小顆粒。因此，體積分布更能反映樣品的主體構(gòu)成。

   
   

3. 面積分布：以顆粒的表面積為基準。表面積在某些應(yīng)用（如催化、溶解）中至關(guān)重要，因為它直接關(guān)系到與周圍環(huán)境的接觸面積。

   
   

重要提示：對于同一個樣品，其數(shù)量分布、體積分布和面積分布的曲線形態(tài)會有顯著差異。通常，體積分布會向大顆粒方向“偏移”。在報告和解讀PSD數(shù)據(jù)時，明確說明分布類型是至關(guān)重要的。

三、為什么粒徑分布如此重要？

PSD之所以關(guān)鍵，是因為它與材料的一系列物理和化學性質(zhì)緊密相關(guān)：

• 流動性：均勻的顆粒（分布窄）通常比粗細不均的顆粒流動性更好，這對于粉末填充、壓片等工藝至關(guān)重要。

  
  

• 溶解速率與反應(yīng)活性：顆粒越小，比表面積越大，溶解或化學反應(yīng)的速度越快。這在制藥（藥效釋放）和化工領(lǐng)域尤為重要。

  
  

• 穩(wěn)定性：在懸浮液（如油漆、果汁）中，PSD影響顆粒的沉降速度，從而決定產(chǎn)品的保質(zhì)期和穩(wěn)定性。

  
  

• 最終產(chǎn)品性能：影響陶瓷的燒結(jié)密度、涂料的遮蓋力和光澤、金屬粉末的3D打印質(zhì)量等。

  
  

• 口感與質(zhì)地：在食品工業(yè)中，PSD直接影響巧克力絲滑的口感或調(diào)味粉的溶解性。

  
  

四、如何測量粒徑分布？

有多種技術(shù)可用于測量PSD，每種技術(shù)都有其適用的尺寸范圍和原理。Bettersize Instruments 百特提供的解決方案覆蓋了多種主流技術(shù)：

1. 激光衍射法

   
   

• 原理：顆粒群在激光束中會產(chǎn)生與自身尺寸成一定角度和強度的散射光。通過分析散射光強隨角度的分布，利用米氏散射理論或弗朗霍夫衍射模型反算出樣品的體積粒徑分布。

  
  

• 代表儀器：Bettersizer S3 Plus Bettersizer ST, Bettersizer 2600系列。

  
  

• 特點：測量速度快、范圍廣（0.01μm至3500μm）、重復性好，是實驗室最常用的粒度儀之一。

  
  

2. 動態(tài)圖像分析法

   
   

• 原理：通過高速相機捕捉在流動狀態(tài)下的顆粒圖像，然后對每個顆粒的圖像進行圖像處理，直接測量其形貌參數(shù)（如粒徑、長徑比、圓形度）。

  
  

• 代表儀器：Bettersizer S3 Plus（集成圖像系統(tǒng)）， BeVision系列。

  
  

• 特點：提供真實的顆粒形貌信息，適合分析非球形顆?；蛐枰瑫r獲取粒度和形狀信息的場景。

  
  

3. 動態(tài)光散射法

   
   

• 原理：通過測量納米顆粒在液體中做布朗運動所導致激光散射光強度的隨機漲落，來分析其擴散系數(shù)，進而通過斯托克斯-愛因斯坦方程計算出顆粒的流體動力學直徑。

  
  

• 代表儀器：BeNano系列。

  
  

• 特點：主要用于亞微米及納米顆粒（0.3nm至10μm）的粒徑分析，尤其適用于膠體、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體等。

  
  

4. 靜態(tài)光散射法

   
   

• 原理：與激光衍射法原理類似，常用于測量膠體或高分子溶液中顆粒的平均尺寸。

  
  

五、測量中的關(guān)鍵步驟：樣品分散

無論使用濕法還是干法測量，確保顆粒被充分、均勻地分散是獲得準確PSD數(shù)據(jù)的前提。 improper dispersion會導致顆粒團聚，使測量結(jié)果偏向大顆粒方向。

• 濕法分散：適用于大多數(shù)樣品。通過選擇合適的分散劑（液體介質(zhì)）并輔以超聲能量或機械攪拌，使團聚顆粒解聚。

  
  

• 干法分散：適用于怕潮、不溶于水或會發(fā)生反應(yīng)的樣品。利用壓縮空氣產(chǎn)生高速氣流，通過顆粒間的碰撞和剪切力實現(xiàn)分散。

  
  

六、粒徑分布數(shù)據(jù)的解讀

典型的PSD報告會包含以下關(guān)鍵指標：

• D10, D50, D90：累積分布曲線上分別對應(yīng)10%、50%、90%處的粒徑值。D50也常被稱為中值粒徑，是樣品平均水平的代表。D90-D10可以粗略反映分布的寬度。

  
  

• 跨度：用于描述分布的寬度，Span = (D90 - D10) / D50?？缍仍酱螅植荚綄?。

  
  

• 分布模型：數(shù)據(jù)可能符合某種數(shù)學模型，如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等。

  
  

總結(jié)

粒徑分布是理解和控制顆粒材料性能的一把鑰匙。通過選擇合適的測量技術(shù)（如Bettersize提供的激光衍射、動態(tài)圖像分析等）并確保樣品正確分散，企業(yè)可以精確表征其產(chǎn)品，進而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量，最終在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

對于特定行業(yè)（如制藥、電池、涂料等）的深入應(yīng)用，可以聯(lián)系技術(shù)支持獲取更詳細的案例。