粒度检测技术详解：五种主流方法的原理与应用

粒度检测技术详解：五种主流方法的原理与应用

粒度检测是许多行业中的重要环节，从医药到半导体，从涂料到食品，颗粒大小直接影响着产品的性能和质量。本文将为您详细介绍颗粒的基本概念、粒度检测的重要性、粒度的表征方法以及五种常用的粒度检测方法的原理、优缺点。

什么是颗粒？

颗粒是指一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。颗粒的尺寸通常是介于纳米和毫米之间。颗粒按照形状可以分固定颗粒，液体颗粒和气体颗粒。颗粒存在于我们生活的各个方面（图一）。

颗粒大小的定义

颗粒的大小通常称之为颗粒的粒度。颗粒一般会用某一物理特性与同量的球形颗粒来表示，也就是我们通常所说的等效粒径，一般用这个球形的颗粒直径来代表实际颗粒的直径和大小。为了表征非球形颗粒的大小，在粒径测试的过程中引入了等效粒径的概念（图二）。

颗粒大小的分类

颗粒的分类方法比较多，按照粒径的大小可以分为：

• 纳米颗粒：1-100 nm
• 亚微米颗粒：0.1μm-1μm
• 微米颗粒：1μm-1000μm

为什么要测颗粒大小？

颗粒大小作为一项重要的物理参数，在医药，半导体，涂料墨水，过滤等行业标准里对颗粒大小的数值和范围有明确的规定。为什么要检测颗粒大小，因为颗粒大小跟材料性能密切相关，如药物被人体的吸收程度，药物的质量，过滤器的过滤效率，食品的口感和保质期，电池材料的性能，墨水和涂料的性能，CMP Slurry的抛光能力，电池材料的容量等等，无不与颗粒大小有关。颗粒大小是影响材料性能的主要指标之一，因此对颗粒大小的测量已经成为材料生产，应用和研究的一项非常重要的基础工作。

颗粒大小的表征

颗粒的大小表征常用的几种表征方法（图三）：

• Mean：平均粒径
• Median：中位径
• Mode：含有该颗粒大小的粒子数量最多
• D50：是指累计粒度分布百分数达到50%所对应的粒径值
• D90：是指累计粒度分布百分数达到90%所对应的粒径值

随着颗粒检测方法的更新，一种基于颗粒计数的检测方法越来越多的进入我们的视野，其特有的数据表征方式，在表征颗粒大小的同时对颗粒数量进行表征，为研发和生产提供了新的解决方案（图四）。

关于粒度检测方法，我们首先要知道并且铭记，在颗粒检测方面，没有任何一种方法可以解决颗粒检测的所有问题，因此针对不同粒径大小和不同种类的样品，要选择合适的方法进行检测。这也是出现不同颗粒检测方法的原因。

目前常用的颗粒检测方法如下图所示，我们将主要介绍红色标注的五种方法，也是目前市面上基于这几种方法的原理的厂家也相对比较多。

激光衍射方法

激光衍射方法原理示意图：

激光衍射的优点和缺点介绍：

• 优点：操作简单；兼容干法和湿法检测；可在线检测；宽广的检测范围1μm-2000 μm；不需要校准；检测快速；
• 缺点：低分辨率；低灵敏度；结果是基于数学统计模型；只能检测微米级别的样品；需要设置光学参数；不同品牌仪器的结果偏差较大；

动态光散射原理

动态光散射的原理示意图：

动态光散射的优点和缺点：

• 优点：操作简单；检测纳米粒子及亚微米粒子；可在线检测；不需要光学参数；不需要校准；
• 缺点：低灵敏度；低分辨率；只能湿法检测；只能检测小于微米级别的样品；结果是基于数学统计模型；

电阻法

电阻法工作原理示意图：

电阻法原理的优点和缺点：

• 优点：高分辨率；高灵敏度；可以颗粒计数；测量结果不受颜色和折射率的影响；
• 缺点：只能湿法检测；必须使用电解液，无法检测有机样品；动态检测范围，容易发生小孔堵塞；计数效率较低；

光阻法

光阻法原理示意图：

光阻法原理的优点和缺点：

• 优点：高分辨率；高灵敏度；可以颗粒计数；测量结果不受颜色和折射率的影响；不需要电解液，可检测有机样品；
• 缺点：检测高浓度样品需要稀释；动态检测范围；无法检测极小的粒子；需要定期对仪器进行校准；只能湿法检测；

显微镜法

显微镜法分为动态显微镜和静态显微镜法。

动态显微镜法的原理示意图：

动态显微镜的优点和缺点：

• 优点：可观察颗粒形状；兼容干法和湿法检测；方便在线检测；
• 缺点：动态检测范围；干法检测时样品难以分散；可检测的样品量较少；

静态显微镜的工作原理：

静态显微镜的优点和缺点：

• 优点：高分辨率；可观察颗粒形状；宽广的检测范围；
• 缺点：难以做在线检测；样品相对难以分散；检测比较耗时间；难以检测极小的粒子；

本文介绍粒度检测常用的五种方法。颗粒检测方法的很多，但是没有任何一种方法可以解决颗粒检测问题，因此在进行颗粒检测不要盲目的跟风或者根据参数选择，适合自己的才是最好的。