顆粒測試技術(shù)的進(jìn)展與展望


任中京
( 濟(jì)南大學(xué)顆粒測試研究所 250022 )


摘 要：本文簡述了當(dāng)今顆粒測試技術(shù)六個方面的進(jìn)展，對顆粒測試技術(shù)的近期發(fā)展趨勢作了簡短的展望，提出了七個顆粒測試領(lǐng)域需要統(tǒng)一認(rèn)識的基本問題，對促進(jìn)顆粒測試技術(shù)發(fā)展提出了幾點(diǎn)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(guān)鍵詞：顆粒測試；技術(shù)進(jìn)展；發(fā)展趨勢；基本問題；知識產(chǎn)權(quán)
1 前 言
隨著顆粒技術(shù)的發(fā)展，顆粒測試技術(shù)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注與重視. 本文就目前顆粒測試領(lǐng)域的新進(jìn)展，談一點(diǎn)個人的淺見，請各位指教. 本文談及的問題有：顆粒測試技術(shù)進(jìn)展、顆粒測試技術(shù)展望、顆粒測試的基本問題和促進(jìn)顆粒測試技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)建議.
2 顆粒測試技術(shù)進(jìn)展
近年來顆粒測試技術(shù)進(jìn)展很快，表現(xiàn)在以下幾個方面：
1) 激光粒度測試技術(shù)更加成熟，激光衍射/散射技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為顆粒測試的主流. 其主要特點(diǎn)：測試速度快，重復(fù)性好，分辨率高，測試范圍廣得到了進(jìn)一步的發(fā)揮.
激光粒度分析技術(shù)zui近幾年的主要進(jìn)展在于提高分辨率和擴(kuò)大測量范圍. 探測器尺寸增加，附加探頭的使用擴(kuò)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(jìn)一步改善了儀器的重復(fù)性. 英國馬爾文公司GM2000系列激光粒度儀采用高能量藍(lán)光輔助光源和匯聚光學(xué)系統(tǒng)，測量范圍達(dá)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(shù)將測量范圍擴(kuò)展到0.04?2000微米.代表了當(dāng)前的先進(jìn)水平. 國產(chǎn)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(shù)在重復(fù)性準(zhǔn)確度方面也達(dá)到了13320標(biāo)準(zhǔn)的要求. 目前激光粒度分析儀在技術(shù)上，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)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(shù)，才可能獲得正確的結(jié)果.
測試結(jié)果的優(yōu)劣不僅取決于測試系統(tǒng)和計算模型，更加取決于樣品的分散狀態(tài).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(yīng)更加注意樣品分散系統(tǒng)設(shè)計. 盡量避免小顆粒團(tuán)聚，大顆粒沉降，大小顆粒離析，樣品輸運(yùn)過程的損耗，外界雜質(zhì)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(yīng)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(kuò)展的. 靜態(tài)光散射原理的激光粒度分析向納米顆粒的擴(kuò)展和向毫米方向的擴(kuò)展極限值得探討. 毫米級的顆粒只需光學(xué)成像技術(shù)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(yōu)勢所在.
2) 圖像顆粒分析技術(shù)東山再起
圖像顆粒分析技術(shù)是一種傳統(tǒng)的顆粒測試技術(shù)，由于樣品制備操作較繁瑣、代表性差、曾經(jīng)作為一種輔助手段而存在，他的直觀的特點(diǎn)沒有發(fā)揮出來.為了解決采樣代表性問題，有人使用圖像拼接技術(shù)或者多幅圖像數(shù)據(jù)累加技術(shù)可以有效提高分析粒子數(shù)量，采用標(biāo)準(zhǔn)分析處理模式的圖像儀則可以將操作誤差減小，這些改進(jìn)取得了一定的效果.
zui近幾年動態(tài)圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)度顆粒圖像分析儀備受關(guān)注，大有東山再起之勢. 動態(tài)圖像處理的核心是采用顆粒同步頻閃捕捉技術(shù)，拍攝運(yùn)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(yùn)動顆粒在線測量. 這就大大擴(kuò)展了圖像分析技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)品。它采用CCD+頻閃技術(shù)測顆粒形狀、采用光束掃描技術(shù)測顆粒大小。可測zui大粒徑為6毫米。如果顆粒在光學(xué)采樣過程不發(fā)生離析現(xiàn)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(yīng)用.
顆粒圖像分析技術(shù)需要解決的另一個問題是三維測量. 動態(tài)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(shí)際問題.
3) 顆粒計數(shù)器不可替代
顆粒本身是離散的個體，因此對顆粒分級計數(shù)是一種的測量方法. 庫爾特電阻法在生物等領(lǐng)域得到廣范應(yīng)用已經(jīng)成為磨料和某些行業(yè)的測試標(biāo)準(zhǔn). 但是他受到導(dǎo)電介質(zhì)的限制和小孔的約束，在某些行業(yè)推廣受到阻力.
zui近光學(xué)計數(shù)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(fā)揮不可替代的作用. 美國Haic Royco 公司顆粒計數(shù)器/塵埃粒子計數(shù)器是才進(jìn)中國不久的老產(chǎn)品；美國PSS（Particle Sizing Systems）公司采用單粒子光學(xué)傳感（SPOS）技術(shù)生產(chǎn)的系列儀器可用于濕法、干法、油品等各種場合的顆粒計數(shù)。
國內(nèi)顆粒計數(shù)器的研究工作起步并不晚，但是除了歐美克的電阻法計數(shù)器外，尚未見光學(xué)計數(shù)器商業(yè)化的產(chǎn)品。
4) 納米顆粒測試技術(shù)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(tài)zui常用的方法.電鏡樣品制備對于測試結(jié)果有重要影響，北京科技大學(xué)在拍攝高質(zhì)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(yán)格的使用條件，以及取樣代表性問題,電鏡在企業(yè)推廣不是*選擇.
根據(jù)動態(tài)光散射原理設(shè)計的納米級顆粒測試技術(shù)是一種新技術(shù)，近年來獲得了快速發(fā)展.馬爾文，布魯克海文、貝克曼庫爾特等公司提供了的商品，馬爾文公司已將動態(tài)光散射的測量范圍擴(kuò)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(nèi)開展此項技術(shù)研究的單位日益增多，上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)等許多高校都有學(xué)者和研究生在做工作. 數(shù)字相關(guān)器仍然是制約國產(chǎn)動態(tài)光散射儀器的瓶頸技術(shù)，如果數(shù)字相關(guān)器問題得到解決，中國自己的動態(tài)光散射納米粒度儀出現(xiàn)在市場上將不會太遠(yuǎn).
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(nèi)，此方法已經(jīng)列入國家開發(fā)計劃，國家鋼鐵研究總院對此方法研究已經(jīng)作了大量工作，但是尚未見商品問世.
5) 光子相關(guān)技術(shù)獨(dú)樹一幟
動態(tài)光散射原理納米顆粒測試采用的技術(shù)主要是光子相關(guān)譜，光子相關(guān)技術(shù)是一種70年代興起的超靈敏探測技術(shù)，他根據(jù)光子信號的時間序列的相關(guān)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(shù)量級，因此此技術(shù)也被用于顆粒運(yùn)動速度的測定和其他場合. 上海理工大學(xué)浙江大學(xué)利用此原理已經(jīng)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(nèi)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(dǎo)意義。
有報道稱使用光子探測技術(shù)可以對高壓空氣噴嘴中的顆粒計數(shù)，說明顆粒測試正在向更加精密更加靈敏的方向發(fā)展.
6) 顆粒在線測試技術(shù)正在興起
在線顆粒測試的需求量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室，這是一個并不夸張的預(yù)測.顆粒制備過程的主要工藝參數(shù)是顆粒大小，以粉磨生產(chǎn)線為例，盡管有很多磨機(jī)檢測方法，如負(fù)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(guān)注.
在線監(jiān)測有on line, in line , at line 幾種方式，無論哪種方式與實(shí)驗(yàn)室檢測相比應(yīng)有如下特點(diǎn)：自動連續(xù)取樣，報告顯示實(shí)時，數(shù)據(jù)有代表性，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠. 根據(jù)生產(chǎn)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(nèi)研制的*臺氣流磨在線干法監(jiān)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(jīng)安裝并投入在線檢測. 相信顆粒在線監(jiān)測技術(shù)一定會在國內(nèi)逐步推廣并為顆粒行業(yè)帶來巨大的效益.
3 顆粒測試技術(shù)展望
1) 未來十年內(nèi)激光散射/衍射技術(shù)仍然在顆粒測試技術(shù)中擔(dān)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(xì)分已露出端倪.
2) 納米顆粒測試技術(shù)有待突破.動態(tài)光散射技術(shù)急需數(shù)字相關(guān)器，國外的相關(guān)器產(chǎn)品價格不符合中國國情，電子行業(yè)的高手應(yīng)該看到這個市場挺身而出. X射線小角散射技術(shù)也有技術(shù)瓶頸，如果瓶頸打開，納米顆粒測試技術(shù)會有突飛猛進(jìn)的發(fā)展.
3) 三年后在線顆粒測試技術(shù)將成為顆粒行業(yè)競爭的焦點(diǎn)，在線技術(shù)要求在線動態(tài)實(shí)時測試、在線取樣分散、在線控制技術(shù)全面發(fā)展，因此未來的競爭首先是產(chǎn)品技術(shù)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(bǔ)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(shù)互補(bǔ)的例子、寬分布粒度儀采用激光衍射靜態(tài)散射和動態(tài)散射的互補(bǔ)、圖像分析重力沉降離心沉降也可以互補(bǔ)滿足水利地質(zhì)對顆粒分析的特殊要求，激光衍射與沉降法互補(bǔ)將可以產(chǎn)生顆粒形狀分析新儀器. 此類儀器的關(guān)鍵是解決不同原理測試結(jié)果的銜接問題.
5) 隨著顆粒測試技術(shù)的普及顆粒分散技術(shù)不可避免要成為各行業(yè)專家研究的另一個重點(diǎn)課題.
4 顆粒測試的幾個基礎(chǔ)性問題
本人認(rèn)為，為了促進(jìn)顆粒測試技術(shù)的普及與繁榮，對如下幾個顆粒測試的基礎(chǔ)性問題取得共識是必要的：
1) 顆粒測試概念的內(nèi)涵：顆粒測試應(yīng)該包含顆粒幾何形態(tài)測試、顆粒物理特性測試、顆粒化學(xué)特性測試幾個方面. 由于物理特性和化學(xué)特性測試技術(shù)與其他物質(zhì)形態(tài)的物理化學(xué)特性測試差別不大，因此顆粒特性測試往往專指幾何形態(tài)測試，主要包括顆粒大小及其分布測試，顆粒形狀參數(shù)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(chǔ)應(yīng)該是顆粒形狀與顆粒大小的表征. 由于顆粒形狀的復(fù)雜性，因此顆粒的表征是一個很困難的工作，很多學(xué)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(shù)行業(yè)所認(rèn)可. 但是有一點(diǎn)已經(jīng)取得共識的是用等效粒徑表示顆粒大小的概念已經(jīng)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(jié)果.這也是標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，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(jié)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(guī)律可循的. 有的公司為此提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，受到了歡迎，需要注意的是，這種轉(zhuǎn)換僅適用于同一種物質(zhì)、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(guān)，利用不同原理測試同種顆粒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異顯然可以提供顆粒形狀信息.利用此原理可能會產(chǎn)生一種實(shí)用的顆粒形狀測試方法和相關(guān)的儀器設(shè)備.
4) 統(tǒng)一使用顆粒大小分級習(xí)慣術(shù)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(xì)粒、細(xì)粉 100-1000 um
粗粒 >1 mm
5) 描述顆粒形狀時至少應(yīng)提供的形狀參數(shù)： 球形度、長徑比 (長寬比)
6) 用目數(shù)描述顆粒大小時應(yīng)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(yīng)同時注明分布類型和測試原理.如：體積分布、重量分布、個數(shù)分布；激光衍射/散射、沉降法、電阻法、篩分法、圖像分析、動態(tài)光散射、透氣法等等.以上幾個問題如果能取得共識，技術(shù)交流時一定會方便很多.
5 關(guān)于顆粒測試發(fā)展的幾點(diǎn)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(xué)會和有關(guān)專家應(yīng)該有計劃的為客戶提供技術(shù)指導(dǎo). 建議顆粒學(xué)會建立顆粒測試專業(yè)，經(jīng)常舉辦學(xué)習(xí)班和研討班以促進(jìn)顆粒測試技術(shù)普及交流與提高.
2) 每年定期進(jìn)行顆粒聯(lián)測活動，借以促進(jìn)測試技術(shù)與測試儀器的水平提高
3)顆粒測試技術(shù)的普及呼喚更多更好、價格更廉、品種更全的標(biāo)準(zhǔn)顆粒樣品的問世。希望引起有關(guān)部門的注意。
4) 顆粒測試儀器是一種高科技產(chǎn)品，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)理應(yīng)成為這一行業(yè)的共識，在本領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)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(yè)要注意知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，行業(yè)內(nèi)也應(yīng)該建立一種行規(guī)，對于盜竊他人技術(shù)機(jī)密者，對于挖別人墻角者，對于惡意損壞別人信譽(yù)者要人人喊打，不給可乘之機(jī)，由此保護(hù)誠實(shí)守信企業(yè)的利益和公平有序的競爭環(huán)境，以此促進(jìn)和保護(hù)技術(shù)創(chuàng)新.