激光粒度儀在色釉料行業(yè)中的應(yīng)用
摘要
本文簡述了激光粒度儀的原理和結(jié)構(gòu)，指出了它的性能特點(diǎn)和對(duì)色釉料行業(yè)的適用性，舉例說明了它在色釉料日常生產(chǎn)性測(cè)試和研發(fā)性測(cè)試中的作用，zui后探討實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題和及其解決辦法。
關(guān)鍵詞：激光粒度儀;色釉料，激光，粒度，測(cè)試
1 引 言
色釉料是陶瓷制品的“行頭"，直接關(guān)系到陶瓷產(chǎn)品的“賣相"。隨著我國陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的迅速提高，色釉料行業(yè)在zui近10多年也迅速發(fā)展壯大，現(xiàn)已成為陶瓷產(chǎn)業(yè)的重要分支。從形貌上看，色釉料是一種粉體，其粒度分布直接影響到它的呈色特征和呈色強(qiáng)度，必須準(zhǔn)確測(cè)定并加以嚴(yán)格控制 [1]。zui早用來測(cè)量粒度的設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)篩，但是它只能測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)粒徑點(diǎn)上的篩余量，不能給出詳細(xì)的粒度分布；并且測(cè)試的勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低。后來發(fā)展到用沉降式粒度儀測(cè)量，它雖然能夠測(cè)得詳細(xì)的粒度分布，但操作比較繁瑣、重復(fù)性較差、測(cè)量范圍窄。的方法是激光粒度分析儀。由于它具有測(cè)量范圍寬、重復(fù)性好、速度快、操作容易等顯著優(yōu)點(diǎn)，非常適合色釉料行業(yè)的使用。為了色釉料行業(yè)的生產(chǎn)、技術(shù)和研究人員更好地了解和使用激光粒度儀，本文將介紹激光粒度分析儀的原理和性能特點(diǎn)，舉例說明它在色釉料行業(yè)的具體應(yīng)用，zui后探討使用中存在的問題及其解決辦法。
2 激光粒度儀的原理和結(jié)構(gòu)[2]
激光粒度儀利用了顆粒對(duì)光的散射（衍射）現(xiàn)象，即光在行進(jìn)過程中遇到顆粒（障礙物）時(shí)，會(huì)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（參見圖1）。
光是一種電磁波，散射現(xiàn)象的物理本質(zhì)是電磁波和物質(zhì)的相互作用的結(jié)果。在球形、勻質(zhì)、各向同性的假定下，散射現(xiàn)象可用嚴(yán)格的電磁波理論，即Mie散射理論描述。
圖1 光的散射現(xiàn)象示意圖
散射光場的強(qiáng)度分布為：
I(θ)=Ia（θ）+Ib（θ）,
其中Ia和Ib分別表示垂直于散射面和平行于散射面的散射光強(qiáng)分布:
式中，θ表示散射角，al和bl的表達(dá)式如下：
此地，)，
，
；式中，
為介質(zhì)的介電常數(shù)，
為散射粒子的介電常數(shù)，
為電導(dǎo)率，
和
分別為真空和介質(zhì)中的光波長，r為粒子半徑，而
其中，
和
分別是*類貝塞爾函數(shù)和諾俟曼函數(shù)。
和
的表達(dá)式則為：
其為一次締合勒讓德多項(xiàng)式。
Mie理論是描述散射光場的嚴(yán)格理論，適用于經(jīng)典物理意義上任意大小的顆粒。但是對(duì)大顆粒()，Mie散射公式及其數(shù)值計(jì)算都相當(dāng)復(fù)雜。
當(dāng)顆粒尺寸較大（至少大于2倍波長），并且只考慮小角散射時(shí)（散射角小于15°），散射光場可用較簡單的Fraunhoff（弗朗和費(fèi)）衍射理論近似描述：
。
式中，θ表示散射角，J1表示一階貝塞爾函數(shù)，r 表示顆粒半徑，f 表示光學(xué)系統(tǒng)的焦距，A 為常數(shù)， k=2π/λ（波數(shù)），λ為光的波長。
儀器結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 激光粒度儀的經(jīng)典結(jié)構(gòu)
光電探測(cè)器陣列（見圖3）用來測(cè)量散射光的分布。它是一系列的同心環(huán)，每個(gè)環(huán)都是一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)單元，其面積隨著直徑的增大而呈指數(shù)式增大。對(duì)某一固定粒徑xi（=2ri）的顆粒，第j個(gè)探測(cè)單元接收到的光能是散射光強(qiáng)對(duì)該單元整個(gè)探測(cè)面的積分：
，
其中，θj和 △θj分別代表第j探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的散射角下限和角范圍。因此盡管散射光的強(qiáng)度分布總是中心大，邊緣?。ㄒ妶D1），但探測(cè)器測(cè)得的光能分布的峰值卻總是在中心和邊緣之間的某個(gè)單元上，見圖4。當(dāng)顆粒直徑變小時(shí)，散射光的分布范圍變大，光能分布的峰值也隨之外移（見圖4）。
圖3 環(huán)形光電探測(cè)器陣列
圖4 大小為8μm和16μm的顆粒產(chǎn)生的散射光能分布
儀器測(cè)量范圍內(nèi)所有代表粒徑的一單位重量的顆粒散射在所有探測(cè)單元（n個(gè)）上的光能，就組成了光能矩陣，即：
矩陣中每一列代表一個(gè)代表粒徑一單位重量的顆粒產(chǎn)生的散射光能分布。因此:
式中w1，w2，…，wn代表顆粒的重量分布。根據(jù)上式，只要已知散射光能分布s1,s2,…,sn,通過適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算手段可以計(jì)算出與之相應(yīng)的粒度分布。圖5是粒度分布曲線示例。
（a） 單峰分布
（b）多峰分布
圖5 粒度分布曲線示例
3 激光粒度儀的性能特點(diǎn)及其對(duì)色釉料行業(yè)的適宜性
激光粒度儀的原理和結(jié)構(gòu)決定了它的性能有以下特點(diǎn)：
（1） 能給出極為詳盡的粒度分布數(shù)據(jù)（見本文第4節(jié)）：包括粒度分布表、粒度分布曲線、中位徑、平均粒徑、邊界粒徑（用以科學(xué)地界定粒度分布范圍）。 這些數(shù)據(jù)對(duì)確定色釉料顆粒的平均大小、均勻性（粗細(xì)搭配）、配料是非常有用的。
（2） 測(cè)量范圍大，能覆蓋色釉料的整個(gè)粒度范圍：它在一個(gè)量程內(nèi)就能測(cè)量小至亞微米（約0.1μm），大至數(shù)百微米的粉體粒度。在色釉料產(chǎn)品中有zui細(xì)的釉下色料的粒度分布范圍約為0.5～10μm，zui粗的坯用色料粒度為20-45um。激光粒度儀能很好地滿足這些要求。
（2） 測(cè)量速度快：測(cè)量一個(gè)樣品只需1分鐘左右，相當(dāng)快捷。
（4） 重復(fù)性好：實(shí)踐表明，激光粒度儀測(cè)量的中位徑的重復(fù)誤差能保證在3%以內(nèi)。比如中位徑10μm，則誤差范圍為±0.15μm。
（5） 操作方便：除了樣品的準(zhǔn)備過程之外，激光粒度儀的測(cè)量過程都是自動(dòng)完成的，并且使用過程中不容易出現(xiàn)故障，因此操作很方便。歐美克研制成功的“易賽（Easysizer）"系列產(chǎn)品，甚至無須作測(cè)試前的樣品準(zhǔn)備，只要按下“測(cè)量鍵"，再在計(jì)算機(jī)的提示下投入適量的樣品，測(cè)量就可自動(dòng)完成。
傳統(tǒng)上用于色釉料粒度測(cè)量的手段還有篩分法和沉降法。篩分法只能測(cè)到篩余量，得不到詳細(xì)的粒度分布，并且操作較繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，重復(fù)性較低。沉降法是激光散射（衍射）法出現(xiàn)以前唱主角的粒度儀器。其缺點(diǎn)是：（１）動(dòng)態(tài)范圍小，同一量程內(nèi)能測(cè)的zui大與zui小顆粒之比約為（20：1），與色釉料的粒度分布寬度相當(dāng)，較粗顆粒或較細(xì)顆粒的信息容易失真。（2）測(cè)試結(jié)果受操作者的習(xí)慣、熟練程度以及環(huán)境溫度影響較大，實(shí)際重復(fù)性較差。（3）測(cè)量時(shí)間一般在30分鐘左右，或者更長，測(cè)試效率低。
綜上所述，我們可以肯定地說，激光粒度儀是迄今為止色釉料行業(yè)使用的粒度測(cè)試儀器。
4 激光粒度儀在色釉料行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例
本節(jié)舉例說明激光粒度分析儀在色釉料行業(yè)的應(yīng)用。
4.1 日常生產(chǎn)中的粒度分析
圖6是含有Cr、Co的孔雀藍(lán)色料的測(cè)試報(bào)告，圖7是含有Zn、Cr、Fe的棕色色料的測(cè)試報(bào)告。分析這兩個(gè)報(bào)告，我們可以看到兩個(gè)樣品的粒度分布上限值基本一致（D90分別為7.90μm和8.09μm），但各粒徑段的重量百份含量卻差異甚大，例如4.91μm以下百分含量(見粒度測(cè)試報(bào)告中的粒徑分布表)，*個(gè)樣品為80.67，第二個(gè)樣品則為62.08。如果用的是篩分法，就無法發(fā)現(xiàn)上述差異。
圖6 孔雀藍(lán)樣品的粒度測(cè)試報(bào)告
圖7 棕色樣品的粒度測(cè)試報(bào)告
用于分析外來色釉料產(chǎn)品的粒度組成及粉碎工藝
本案例來自色釉料的研發(fā)實(shí)踐。某單位獲得一個(gè)進(jìn)口色釉料樣品，想進(jìn)行復(fù)制。經(jīng)過多次試驗(yàn)，做出來的復(fù)制品在化學(xué)成分上已經(jīng)與進(jìn)口樣品基本一致，但使用效果就是不同。通過激光粒度分析儀測(cè)試，其粒度分布如表1，對(duì)應(yīng)的粒度分布曲線如圖8：
粒徑 (um) | 微分分布 (%) | 累積分布 (%) | 粒徑 (um) | 微分 分布 (%) | 累積分布 (%) | 粒徑 (um) | 微分分布 (%) | 累積 分布 (%) |
0.20 | 4.12 | 10.02 | 58.03 | 22.40 | 0.02 | 100.00 | ||
0.24 | 0.00 | 0.00 | 2.50 | 9.35 | 67.40 | 26.50 | 0.00 | 100.00 |
0.28 | 0.00 | 0.00 | 2.36 | 4.23 | 71.64 | 31.50 | 0.00 | 100.00 |
0.33 | 0.00 | 0.00 | 3.21 | 0.11 | 71.75 | 37.10 | 0.00 | 100.00 |
0.39 | 0.00 | 0.00 | 4.15 | 0.00 | 71.02 | 40.20 | 0.00 | 100.00 |
0.46 | 0.00 | 0.00 | 4.91 | 0.04 | 71.87 | 52.00 | 0.00 | 100.00 |
0.55 | 0.07 | 0.07 | 6.81 | 0.36 | 72.23 | 61.50 | 0.00 | 100.00 |
0.65 | 0.09 | 0.11 | 6.88 | 2.36 | 74.88 | 72.80 | 0.00 | 100.00 |
0.77 | 0.29 | 0.40 | 8.14 | 5.45 | 80.04 | 86.10 | 0.00 | 100.00 |
0.91 | 0.39 | 0.79 | 9.64 | 6.61 | 86.68 | 101.90 | 0.00 | 100.00 |
1.08 | 0.57 | 1.36 | 11.41 | 6.82 | 93.49 | 120.00 | 0.00 | 100.00 |
1.28 | 6.02 | 7.38 | 13.50 | 3.68 | 97.18 | 142.80 | 0.00 | 100.00 |
1.51 | 13.35 | 20.74 | 13.58 | 2.08 | 99.26 | 169.00 | 0.00 | 100.00 |
1.79 | 18.29 | 39.03 | 18.91 | 0.72 | 99.98 | 200.00 | 0.00 | 100.00 |
表1 某進(jìn)口色釉料的粒度分布表
圖8 某進(jìn)口色釉料的粒度分布曲線
從表1和圖8可以看出，此樣品明顯是由兩個(gè)粒度分布峰組成，峰值分別在2μm和10μm附近。按常理論，實(shí)際生產(chǎn)中不容易一次粉碎而成。因此，我們推斷該樣品是兩種粉分別粉碎到一定粒度，然后再混合而成。接著我們根據(jù)上述推斷，進(jìn)一步分析這兩種組分的比例及粒度分布特征。得到的結(jié)果如下：
組分1：占總量比例71.7% ，D10=1.27，D50=1.74，D90=2.38
組分2：占總量比例28.3％，D10=6.89，D50=9.47，D90=13.51
根據(jù)上述分析結(jié)論，該單位成功地復(fù)制出與原樣基本一致的色釉料。
５ 激光粒度儀在行業(yè)應(yīng)用中遇到的若干問題
激光粒度儀的推廣應(yīng)用對(duì)推動(dòng)我國色釉料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步顯然是有積極作用的。在推廣的過程中，也遇到一些問題，主要表現(xiàn)在兩方面：
（１） 與傳統(tǒng)篩分法結(jié)果的對(duì)比
色釉料行業(yè)傳統(tǒng)上用篩分法來檢測(cè)產(chǎn)品的粒度。盡管方法比較落后，但在全行業(yè)已得到廣泛的認(rèn)可。因此有些初次使用激光粒度儀的用戶總是拿激光粒度儀在某粒徑點(diǎn)上的累積值與篩分的篩下百分含量進(jìn)行對(duì)比，要求二者一致。直觀地想，這種對(duì)比是理所當(dāng)然的。但是，粒度測(cè)量和一般的理化測(cè)量*不同：不同原理的兩種粒度測(cè)量方法測(cè)試結(jié)果應(yīng)該是不一致的［3］，一致的反倒是特例，或是經(jīng)過人為調(diào)整的。
受傳統(tǒng)觀念的束縛、思維習(xí)慣的影響或傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的制約，有時(shí)用戶會(huì)對(duì)上述差異表示不理解或強(qiáng)烈要求儀器供應(yīng)商修改激光粒度分析儀的測(cè)試結(jié)果，使之與傳統(tǒng)結(jié)果一致。由于激光粒度儀使用了計(jì)算機(jī)作為部件，作這種修改并不難。問題是修改后測(cè)試結(jié)果失真。因此是讓用戶逐步接受激光粒度儀的結(jié)果。大家都清楚，激光粒度儀已經(jīng)是一種很成熟的儀器，而且比篩分法要先進(jìn)得多。
（２）不同激光粒度儀之間的量值對(duì)比
有時(shí)用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的激光粒度儀給出的測(cè)試結(jié)果有差異。造成這種現(xiàn)象的原因有儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)的差異、數(shù)據(jù)分析軟件的不同、儀器工作狀態(tài)的漂移、人為的結(jié)果修改（比如為了與篩分結(jié)果相對(duì)照）等等。解決這一問題的有效方法是制備適合于本行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，用以校準(zhǔn)所有的儀器。這需要全行業(yè)的配合與努力。
６ 結(jié)束語
激光粒度儀是集成了激光技術(shù)、傳統(tǒng)光學(xué)、光電技術(shù)、現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)的粒度測(cè)試儀器，具有測(cè)量范圍寬、數(shù)據(jù)詳細(xì)、速度快、重復(fù)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合色釉料行業(yè)使用。它既可作為日常生產(chǎn)用的檢測(cè)設(shè)備，也可作為研究用的工具。它的全面推廣使用，將有助于色釉料行業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)一步提高。
它的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)篩分法不一致，屬于正?，F(xiàn)象，用戶應(yīng)逐步接受。而不同激光粒度儀之間的測(cè)試結(jié)果差異，要通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)樣來校準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
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