顆粒測試技術的進展與展望

摘 要：本文簡述了當今顆粒測試技術六個方面的進展，對顆粒測試技術的近期發展趨勢作了簡短的展望，提出了七個顆粒測試領域需要統一認識的基本問題，對促進顆粒測試技術發展提出了幾點建議.
abstract: the advance of nowadays particle measuring technology is described briefly from six aspects, abbreviated prospect for the developing trend of particle measuring technology in the near future is narrated, seven essential problems that need be recognized uniformly in particle measuring field are put forward, a few proposes that can be promoted the development for particle measuring technology are brought forward.

關鍵詞：顆粒測試；技術進展；發展趨勢；基本問題；知識產權

1 前 言
　　隨著顆粒技術的發展，顆粒測試技術已經受到廣泛的關注與重視. 本文就目前顆粒測試領域的新進展，談一點個人的淺見，請各位指教. 本文談及的問題有：顆粒測試技術進展、顆粒測試技術展望、顆粒測試的基本問題和促進顆粒測試技術發展的幾點建議.

2 顆粒測試技術進展
　　近年來顆粒測試技術進展很快，表現在以下幾個方面：
1) 激光粒度測試技術更加成熟，激光衍射/散射技術，現在已經成為顆粒測試的主流. 其主要特點：測試速度快，重復性好，分辨率高，測試范圍廣得到了進一步的發揮.
　　激光粒度分析技術最近幾年的主要進展在于提高分辨率和擴大測量范圍. 探測器尺寸增加，附加探頭的使用擴大了測量范圍；多種激光光源的使用、多鏡頭、會聚光路、多量程、可移動樣品窗的使用提高了分辨率，采樣速度的提高則進一步改善　了儀器的重復性. 英國馬爾文公司GM2000系列激光粒度儀采用高能量藍光輔助光源和匯聚光學系統，測量范圍達到0.02?　2000微米，不需更換透鏡. 貝克曼庫爾特公司采用多波長偏振光雙鏡頭技術將測量范圍擴展到0.04?2000微米.代表了當前的先進水平. 國產的激光粒度儀在制作工藝和自動化程度上尚有欠缺，但大多數在重復性準確度方面也達到了13320國際標準的要求. 目前激光粒度分析儀在技術上，已經達到了相當成熟的階段.
　　米氏理論模型可以提高儀器的分辨率，但是需要事先了解被測樣品的折射率和吸收系數，才可能獲得正確的結果.
測試結果的優劣不僅取決于測試系統和計算模型，更加取決于樣品的分散狀態.激光粒度儀對樣品的分散要求是，分散而不分離. 儀器廠家應更加注意樣品分散系統設計. 盡量避免小顆粒團聚，大顆粒沉降，大小顆粒離析，樣品輸運過程的損耗，外界雜質的侵入. 對于不同樣品選用不同的分散劑和不同的分散操作應該引起測試者的注意.
　　任何原理的儀器測試范圍都不是可以無限擴展的. 靜態光散射原理的激光粒度分析向納米顆粒的擴展和向毫米方向的擴展極限值得探討. 毫米級的顆粒只需光學成像技術就可以輕易解決的測量問題采用激光散射原理則并不是優勢所在.
2) 圖像顆粒分析技術東山再起
　　圖像顆粒分析技術是一種傳統的顆粒測試技術，由于樣品制備操作較繁瑣、代表性差、曾經作為一種輔助手段而存在，他的直觀的特點沒有發揮出來.為了解決采樣代表性問題，有人使用圖像拼接技術或者多幅圖像數據累加技術可以有效提高分析粒子數量，采用標準分析處理模式的圖像儀則可以將操作誤差減小，這些改進取得了一定的效果.
　　最近幾年動態圖像處理技術的出現使傳統度顆粒圖像分析儀備受關注，大有東山再起之勢. 動態圖像處理的核心是采用顆粒同步頻閃捕捉技術，拍攝運動顆粒圖像，因此減少了載玻片上樣品制備的繁瑣操作，提高了采樣的代表性，而且可用于運動顆粒在線測量. 這就大大擴展了圖像分析技術的應用范圍和可操作性. 荷蘭安米德公司的粒度粒形分析儀是有代表性的產品。它采用CCD+頻閃技術測顆粒形狀、采用光束掃描技術測顆粒大小。可測最大粒徑為6毫米。如果顆粒在光學采樣過程不發生離析現象，此種儀器在微米與毫米級顆粒測量中可能會得到廣泛的應用.
　　顆粒圖像分析技術需要解決的另一個問題是三維測量. 動態顆粒圖像采集由于顆粒采集的各向同性因此可以解決在載波片上顆粒方位的偏析問題，但是仍然無法解決如片狀顆粒厚度問題. 厚度測量對于金屬顏料，云母、特種石墨都是一個急需解決的實際問題.
3) 顆粒計數器不可替代
　　顆粒本身是離散的個體，因此對顆粒分級計數是一種最好的測量方法. 庫爾特電阻法在生物等領域得到廣范應用已經成為磨料和某些行業的測試標準. 但是他受到導電介質的限制和小孔的約束，在某些行業推廣受到阻力.
　　最近光學計數器在市場上異軍突起，他將在高精度和極低濃度顆粒測量場合發揮不可替代的作用. 美國Haic Royco 公司顆粒計數器/塵埃粒子計數器是才進中國不久的老產品；美國PSS（Particle Sizing Systems）公司采用單粒子光學傳感（SPOS）技術生產的系列儀器可用于濕法、干法、油品等各種場合的顆粒計數。
　　國內顆粒計數器的研究工作起步并不晚，但是除了歐美克的電阻法計數器外，尚未見光學計數器商業化的產品。
4) 納米顆粒測試技術有待突破
　　納米顆粒測試越來越受到重視.
　　電鏡是一種測試納米顆粒粒度與形態最常用的方法.電鏡樣品制備對于測試結果有重要影響，北京科技大學在拍攝高質量電鏡照片方面作了出色的工作. 由于電鏡昂貴的價格和嚴格的使用條件，以及取樣代表性問題,電鏡在企業推廣不是最佳選擇.
根據動態光散射原理設計的納米級顆粒測試技術是一種新技術，近年來獲得了快速發展.馬爾文，布魯克海文、貝克曼庫爾特等公司提供了優秀的商品，馬爾文公司已將動態光散射的測量范圍擴展到亞納米范圍，HPPS高性能高濃度納米粒度和Zeta電位分析儀測試范圍0.6-6000納米，可以測量大分子真溶液粒徑。
　　國內開展此項技術研究的單位日益增多，上海理工大學、浙江大學、北京大學、清華大學、濟南大學等許多高校都有學者和研究生在做工作. 數字相關器仍然是制約國產動態光散射儀器的瓶頸技術，如果數字相關器問題得到解決，中國自己的動態光散射納米粒度儀出現在市場上將不會太遠.
　　X射線的波長比納米還要短，因此X射線小角散射是一種測量納米顆粒的理想方法，(類似于激光衍射原理)國外有商品儀器. 國內，此方法已經列入國家開發計劃，國家鋼鐵研究總院對此方法研究已經作了大量工作，但是尚未見商品問世.
5) 光子相關技術獨樹一幟
　　動態光散射原理納米顆粒測試采用的技術主要是光子相關譜，光子相關技術是一種70年代興起的超靈敏探測技術，他根據光子信號的時間序列的相關性檢測被測信號的多普勒頻移或時間周期性，比通常的光譜儀分辨率高一個數量級，因此此技術也被用于顆粒運動速度的測定和其他場合. 上海理工大學浙江大學利用此原理已經研制成功在線用的顆粒粒度與顆粒流速的探針. 它可用于物料管道內部檢測物料的平均大小和物料的流速. 對于在線控制具有指導意義。
　　有報道稱使用光子探測技術可以對高壓空氣噴嘴中的顆粒計數，說明顆粒測試正在向更加精密更加靈敏的方向發展.
6) 顆粒在線測試技術正在興起
　　在線顆粒測試的需求量將遠遠大于實驗室，這是一個并不夸張的預測.顆粒制備過程的主要工藝參數是顆粒大小，以粉磨生產線為例，盡管有很多磨機檢測方法，如負荷檢測，電耳檢測等等，都屬于間接檢測，無法代替顆粒粒度的檢測，因此顆粒在線測試必然受到廣泛關注.
　　在線監測有on line, in line , at line 幾種方式，無論哪種方式與實驗室檢測相比應有如下特點：自動連續取樣，報告顯示實時，數據有代表性，抗干擾能力強，運行可靠. 根據生產條件不同，可以采取濕法檢測也可以采取干法檢測，原則是濕樣濕測，干樣干測.
　　國內研制的第一臺氣流磨在線干法監測儀1997年在上海投入使用，美國馬爾文公司在線檢測儀2004年在東海已經安裝并投入在線檢測. 相信顆粒在線監測技術一定會在國內逐步推廣并為顆粒行業帶來巨大的效益.

3 顆粒測試技術展望
1) 未來十年內激光散射/衍射技術仍然在顆粒測試技術中擔任主角，但是由于顆粒測試需求的多樣性，多種測試方法百花齊放將是未來的主要特征，顆粒市場細分已露出端倪.
2) 納米顆粒測試技術有待突破.動態光散射技術急需數字相關器，國外的相關器產品價格不符合中國國情，電子行業的高手應該看到這個市場挺身而出. X射線小角散射技術也有技術瓶頸，如果瓶頸打開，納米顆粒測試技術會有突飛猛進的發展.
3) 三年后在線顆粒測試技術將成為顆粒行業競爭的焦點，在線技術要求在線動態實時測試、在線取樣分散、在線控制技術全面發展，因此未來的競爭首先是產品技術含量的競爭.
4) 綜合性粒度分析儀器越來越多.每一原理測試范圍是有限的，不同原理互補才可以滿足用戶的特殊需要. 粒度粒形分析儀是激光掃描與頻閃成像技術互補的例子、寬分布粒度儀采用激光衍射靜態散射和動態散射的互補、圖像分析重力沉降離心沉降也可以互補滿足水利地質對顆粒分析的特殊要求，激光衍射與沉降法互補將可以產生顆粒形狀分析新儀器. 此類儀器的關鍵是解決不同原理測試結果的銜接問題.
5) 隨著顆粒測試技術的普及顆粒分散技術不可避免要成為各行業專家研究的另一個重點課題.

4 顆粒測試的幾個基礎性問題
本人認為，為了促進顆粒測試技術的普及與繁榮，對如下幾個顆粒測試的基礎性問題取得共識是必要的：
1) 顆粒測試概念的內涵：顆粒測試應該包含顆粒幾何形態測試、顆粒物理特性測試、顆粒化學特性測試幾個方面. 由于物理特性和化學特性測試技術與其他物質形態的物理化學特性測試差別不大，因此顆粒特性測試往往專指幾何形態測試，主要包括顆粒大小及其分布測試，顆粒形狀參數測試，顆粒比表面測試，孔及其分布測試.
2) 顆粒測試的理論基礎應該是顆粒形狀與顆粒大小的表征. 由于顆粒形狀的復雜性，因此顆粒的表征是一個很困難的工作，很多學者為此付出了長期艱苦的工作，但是至今未見到一種表征方法為大多數行業所認可. 但是有一點已經取得共識的是用等效粒徑表示顆粒大小的概念已經為大眾所接受：因此不同的原理的測試方法必然獲得不同的等效粒徑. 只有球形顆粒，才能在不同的儀器上獲得相同的測試結果.這也是標準顆粒必須是球形的原因.
3) 不同測試方法之間的比較問題顯然與顆粒形狀有關，如果不限定顆粒形狀，泛泛比較兩種不同原理儀器的測試結果誰是誰非沒有意義. 但是，對于同一種顆粒，用不同的原理測試，是有規律可循的. 有的公司為此提供了專用數據轉換軟件，受到了歡迎，需要注意的是，這種轉換僅適用于同一種物質、用相同的加工方法制備的形狀類似的顆粒體系.
推論：既然顆粒大小測試與顆粒形狀有關，利用不同原理測試同種顆粒產生的數據差異顯然可以提供顆粒形狀信息.利用此原理可能會產生一種實用的顆粒形狀測試方法和相關的儀器設備.
4) 統一使用顆粒大小分級習慣術語：
納米顆粒 1-100 nm
亞微米顆粒 0.1-1 um
微粒、微粉 1-100 um
細粒、細粉 100-1000 um
粗粒 〉1 mm
5) 描述顆粒形狀時至少應提供的形狀參數： 球形度、長徑比 (長寬比)
6) 用目數描述顆粒大小時應同時注明通過此篩孔的百分含量. 如95%通過325目等等.
7) 描述顆粒粒度分布時應同時注明分布類型和測試原理.如：體積分布、重量分布、個數分布；激光衍射/散射、沉降法、電阻法、篩分法、圖像分析、動態光散射、透氣法等等.以上幾個問題如果能取得共識，技術交流時一定會方便很多.

5 關于顆粒測試發展的幾點建議
1) 儀器品種眾多，客戶選購顆粒儀器會遇到很多問題，因此中國顆粒學會和有關專家應該有計劃的為客戶提供技術指導. 建議顆粒學會建立顆粒測試專業網站，經常舉辦學習班和研討班以促進顆粒測試技術普及交流與提高.
2) 每年定期進行顆粒聯測活動，借以促進測試技術與測試儀器的水平提高
3)顆粒測試技術的普及呼喚更多更好、價格更廉、品種更全的標準顆粒樣品的問世。希望引起有關部門的注意。
4) 顆粒測試儀器是一種高科技產品，知識產權保護理應成為這一行業的共識，在本領域內確實有人盜竊他人成果，生吞活剝叫賣，不以為恥反以為榮. 因此不僅企業要注意知識產權的保護，行業內也應該建立一種行規，對于盜竊他人技術機密者，對于挖別人墻角者，對于惡意損壞別人信譽者要人人喊打，不給可乘之機，由此保護誠實守信企業的利益和公平有序的競爭環境，以此促進和保護技術創新.