颗粒测试技术的进展与展望


任中京
( 济南大学颗粒测试研究所 250022 )


摘 要：本文简述了当今颗粒测试技术六个方面的进展，对颗粒测试技术的近期发展趋势作了简短的展望，提出了七个颗粒测试领域需要统一认识的基本问题，对促进颗粒测试技术发展提出了几点建议.
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.

关键词：颗粒测试；技术进展；发展趋势；基本问题；知识产权
1 前 言
随着颗粒技术的发展，颗粒测试技术已经受到广泛的关注与重视. 本文就目前颗粒测试领域的新进展，谈一点个人的浅见，请各位指教. 本文谈及的问题有：颗粒测试技术进展、颗粒测试技术展望、颗粒测试的基本问题和促进颗粒测试技术发展的几点建议.
2 颗粒测试技术进展
近年来颗粒测试技术进展很快，表现在以下几个方面：
1) 激光粒度测试技术更加成熟，激光衍射/散射技术，现在已经成为颗粒测试的主流. 其主要特点：测试速度快，重复性好，分辨率高，测试范围广得到了进一步的发挥.
激光粒度分析技术近几年的主要进展在于提高分辨率和扩大测量范围. 探测器尺寸增加，附加探头的使用扩大了测量范围；多种激光光源的使用、多镜头、会聚光路、多量程、可移动样品窗的使用提高了分辨率，采样速度的提高则进一步改善了仪器的重复性. 英国马尔文公司GM2000系列激光粒度仪采用高能量蓝光辅助光源和汇聚光学系统，测量范围达到0.02?2000微米，不需更换透镜. 贝克曼库尔特公司采用多波长偏振光双镜头技术将测量范围扩展到0.04?2000微米.代表了当前的先进水平. 国产的激光粒度仪在制作工艺和自动化程度上尚有欠缺，但大多数在重复性准确度方面也达到了13320国际标准的要求. 目前激光粒度分析仪在技术上，已经达到了相当成熟的阶段.
米氏理论模型可以提高仪器的分辨率，但是需要事先了解被测样品的折射率和吸收系数，才可能获得正确的结果.
测试结果的优劣不仅取决于测试系统和计算模型，更加取决于样品的分散状态.激光粒度仪对样品的分散要求是，分散而不分离. 仪器厂家应更加注意样品分散系统设计. 尽量避免小颗粒团聚，大颗粒沉降，大小颗粒离析，样品输运过程的损耗，外界杂质的侵入. 对于不同样品选用不同的分散剂和不同的分散操作应该引起测试者的注意.
任何原理的仪器测试范围都不是可以无限扩展的. 静态光散射原理的激光粒度分析向纳米颗粒的扩展和向毫米方向的扩展极限值得探讨. 毫米级的颗粒只需光学成像技术就可以轻易解决的测量问题采用激光散射原理则并不是优势所在.
2) 图像颗粒分析技术东山再起
图像颗粒分析技术是一种传统的颗粒测试技术，由于样品制备操作较繁琐、代表性差、曾经作为一种辅助手段而存在，他的直观的特点没有发挥出来.为了解决采样代表性问题，有人使用图像拼接技术或者多幅图像数据累加技术可以有效提高分析粒子数量，采用标准分析处理模式的图像仪则可以将操作误差减小，这些改进取得了一定的效果.
近几年动态图像处理技术的出现使传统度颗粒图像分析仪备受关注，大有东山再起之势. 动态图像处理的核心是采用颗粒同步频闪捕捉技术，拍摄运动颗粒图像，因此减少了载玻片上样品制备的繁琐操作，提高了采样的代表性，而且可用于运动颗粒在线测量. 这就大大扩展了图像分析技术的应用范围和可操作性. 荷兰安米德公司的粒度粒形分析仪是有代表性的产品。它采用CCD+频闪技术测颗粒形状、采用光束扫描技术测颗粒大小。可测粒径为6毫米。如果颗粒在光学采样过程不发生离析现象，此种仪器在微米与毫米级颗粒测量中可能会得到广泛的应用.
颗粒图像分析技术需要解决的另一个问题是三维测量. 动态颗粒图像采集由于颗粒采集的各向同性因此可以解决在载波片上颗粒方位的偏析问题，但是仍然无法解决如片状颗粒厚度问题. 厚度测量对于金属颜料，云母、特种石墨都是一个急需解决的实际问题.
3) 颗粒计数器不可替代
颗粒本身是离散的个体，因此对颗粒分级计数是一种的测量方法. 库尔特电阻法在生物等领域得到广范应用已经成为磨料和某些行业的测试标准. 但是他受到导电介质的限制和小孔的约束，在某些行业推广受到阻力.
近光学计数器在市场上异军突起，他将在高精度和极低浓度颗粒测量场合发挥不可替代的作用. 美国Haic Royco 公司颗粒计数器/尘埃粒子计数器是才进中国不久的老产品；美国PSS（Particle Sizing Systems）公司采用单粒子光学传感（SPOS）技术生产的系列仪器可用于湿法、干法、油品等各种场合的颗粒计数。
国内颗粒计数器的研究工作起步并不晚，但是除了欧美克的电阻法计数器外，尚未见光学计数器商业化的产品。
4) 纳米颗粒测试技术有待突破
纳米颗粒测试越来越受到重视.
电镜是一种测试纳米颗粒粒度与形态常用的方法.电镜样品制备对于测试结果有重要影响，北京科技大学在拍摄高质量电镜照片方面作了出色的工作. 由于电镜昂贵的价格和严格的使用条件，以及取样代表性问题,电镜在企业推广不是佳选择.
根据动态光散射原理设计的纳米级颗粒测试技术是一种新技术，近年来获得了快速发展.马尔文，布鲁克海文、贝克曼库尔特等公司提供了优秀的商品，马尔文公司已将动态光散射的测量范围扩展到亚纳米范围，HPPS高性能高浓度纳米粒度和Zeta电位分析仪测试范围0.6-6000纳米，可以测量大分子真溶液粒径。
国内开展此项技术研究的单位日益增多，上海理工大学、浙江大学、北京大学、清华大学、济南大学等许多高校都有学者和研究生在做工作. 数字相关器仍然是制约国产动态光散射仪器的瓶颈技术，如果数字相关器问题得到解决，中国自己的动态光散射纳米粒度仪出现在市场上将不会太远.
X射线的波长比纳米还要短，因此X射线小角散射是一种测量纳米颗粒的理想方法，(类似于激光衍射原理)国外有商品仪器. 国内，此方法已经列入国家开发计划，国家钢铁研究总院对此方法研究已经作了大量工作，但是尚未见商品问世.
5) 光子相关技术独树一帜
动态光散射原理纳米颗粒测试采用的技术主要是光子相关谱，光子相关技术是一种70年代兴起的超灵敏探测技术，他根据光子信号的时间序列的相关性检测被测信号的多普勒频移或时间周期性，比通常的光谱仪分辨率高一个数量级，因此此技术也被用于颗粒运动速度的测定和其他场合. 上海理工大学浙江大学利用此原理已经研制成功在线用的颗粒粒度与颗粒流速的探针. 它可用于物料管道内部检测物料的平均大小和物料的流速. 对于在线控制具有指导意义。
有报道称使用光子探测技术可以对高压空气喷嘴中的颗粒计数，说明颗粒测试正在向更加精密更加灵敏的方向发展.
6) 颗粒在线测试技术正在兴起
在线颗粒测试的需求量将远远大于实验室，这是一个并不夸张的预测.颗粒制备过程的主要工艺参数是颗粒大小，以粉磨生产线为例，尽管有很多磨机检测方法，如负荷检测，电耳检测等等，都属于间接检测，无法代替颗粒粒度的检测，因此颗粒在线测试必然受到广泛关注.
在线监测有on line, in line , at line 几种方式，无论哪种方式与实验室检测相比应有如下特点：自动连续取样，报告显示实时，数据有代表性，抗干扰能力强，运行可靠. 根据生产条件不同，可以采取湿法检测也可以采取干法检测，原则是湿样湿测，干样干测.
国内研制的台气流磨在线干法监测仪1997年在上海投入使用，美国马尔文公司在线检测仪2004年在东海已经安装并投入在线检测. 相信颗粒在线监测技术一定会在国内逐步推广并为颗粒行业带来巨大的效益.
3 颗粒测试技术展望
1) 未来十年内激光散射/衍射技术仍然在颗粒测试技术中担任主角，但是由于颗粒测试需求的多样性，多种测试方法百花齐放将是未来的主要特征，颗粒市场细分已露出端倪.
2) 纳米颗粒测试技术有待突破.动态光散射技术急需数字相关器，国外的相关器产品价格不符合中国国情，电子行业的高手应该看到这个市场挺身而出. X射线小角散射技术也有技术瓶颈，如果瓶颈打开，纳米颗粒测试技术会有突飞猛进的发展.
3) 三年后在线颗粒测试技术将成为颗粒行业竞争的焦点，在线技术要求在线动态实时测试、在线取样分散、在线控制技术全面发展，因此未来的竞争首先是产品技术含量的竞争.
4) 综合性粒度分析仪器越来越多.每一原理测试范围是有限的，不同原理互补才可以满足用户的特殊需要. 粒度粒形分析仪是激光扫描与频闪成像技术互补的例子、宽分布粒度仪采用激光衍射静态散射和动态散射的互补、图像分析重力沉降离心沉降也可以互补满足水利地质对颗粒分析的特殊要求，激光衍射与沉降法互补将可以产生颗粒形状分析新仪器. 此类仪器的关键是解决不同原理测试结果的衔接问题.
5) 随着颗粒测试技术的普及颗粒分散技术不可避免要成为各行业专家研究的另一个重点课题.
4 颗粒测试的几个基础性问题
本人认为，为了促进颗粒测试技术的普及与繁荣，对如下几个颗粒测试的基础性问题取得共识是必要的：
1) 颗粒测试概念的内涵：颗粒测试应该包含颗粒几何形态测试、颗粒物理特性测试、颗粒化学特性测试几个方面. 由于物理特性和化学特性测试技术与其他物质形态的物理化学特性测试差别不大，因此颗粒特性测试往往专指几何形态测试，主要包括颗粒大小及其分布测试，颗粒形状参数测试，颗粒比表面测试，孔及其分布测试.
2) 颗粒测试的理论基础应该是颗粒形状与颗粒大小的表征. 由于颗粒形状的复杂性，因此颗粒的表征是一个很困难的工作，很多学者为此付出了长期艰苦的工作，但是至今未见到一种表征方法为大多数行业所认可. 但是有一点已经取得共识的是用等效粒径表示颗粒大小的概念已经为大众所接受：因此不同的原理的测试方法必然获得不同的等效粒径. 只有球形颗粒，才能在不同的仪器上获得相同的测试结果.这也是标准颗粒必须是球形的原因.
3) 不同测试方法之间的比较问题显然与颗粒形状有关，如果不限定颗粒形状，泛泛比较两种不同原理仪器的测试结果谁是谁非没有意义. 但是，对于同一种颗粒，用不同的原理测试，是有规律可循的. 有的公司为此提供了专用数据转换软件，受到了欢迎，需要注意的是，这种转换仅适用于同一种物质、用相同的加工方法制备的形状类似的颗粒体系.
推论：既然颗粒大小测试与颗粒形状有关，利用不同原理测试同种颗粒产生的数据差异显然可以提供颗粒形状信息.利用此原理可能会产生一种实用的颗粒形状测试方法和相关的仪器设备.
4) 统一使用颗粒大小分级习惯术语：
纳米颗粒 1-100 nm
亚微米颗粒 0.1-1 um
微粒、微粉 1-100 um
细粒、细粉 100-1000 um
粗粒 〉1 mm
5) 描述颗粒形状时至少应提供的形状参数： 球形度、长径比 (长宽比)
6) 用目数描述颗粒大小时应同时注明通过此筛孔的百分含量. 如95%通过325目等等.
7) 描述颗粒粒度分布时应同时注明分布类型和测试原理.如：体积分布、重量分布、个数分布；激光衍射/散射、沉降法、电阻法、筛分法、图像分析、动态光散射、透气法等等.以上几个问题如果能取得共识，技术交流时一定会方便很多.
5 关于颗粒测试发展的几点建议
1) 仪器品种众多，客户选购颗粒仪器会遇到很多问题，因此中国颗粒学会和有关专家应该有计划的为客户提供技术指导. 建议颗粒学会建立颗粒测试专业网站，经常举办学习班和研讨班以促进颗粒测试技术普及交流与提高.
2) 每年定期进行颗粒联测活动，借以促进测试技术与测试仪器的水平提高
3)颗粒测试技术的普及呼唤更多更好、价格更廉、品种更全的标准颗粒样品的问世。希望引起有关部门的注意。
4) 颗粒测试仪器是一种高科技产品，知识产权保护理应成为这一行业的共识，在本领域内确实有人盗窃他人成果，生吞活剥叫卖，不以为耻反以为荣. 因此不仅企业要注意知识产权的保护，行业内也应该建立一种行规，对于盗窃他人技术机密者，对于挖别人墙角者，对于恶意损坏别人信誉者要人人喊打，不给可乘之机，由此保护诚实守信企业的利益和公平有序的竞争环境，以此促进和保护技术创新.