粒徑分布是顆粒材料科學(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)。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(xì)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(zhǔn)。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(yuǎn)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(zhǔn)。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(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)：

• 流動性：均勻的顆粒（分布窄）通常比粗細(xì)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(xué)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(fù)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(jìn)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，適合分析非球形顆粒或需要同時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(dǎo)致激光散射光強度的隨機漲落，來分析其擴散系數(shù)，進(jìn)而通過斯托克斯-愛因斯坦方程計算出顆粒的流體動力學(xué)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(zhǔn)確PSD數(shù)據(jù)的前提。 improper dispersion會導(dǎo)致顆粒團(tuán)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(tuán)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(biāo)：

• 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。跨度越大，分布越寬。

  
  

• 分布模型：數(shù)據(jù)可能符合某種數(shù)學(xué)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(jìn)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(xì)的案例。