“篩分"是一種歷史悠久的顆粒粒度分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于建筑材料、制藥和增材制造等行業(yè)。盡管該方法行之有效，但通常勞動(dòng)密集，且易受人為主觀操作、取樣偏差、篩網(wǎng)老化及堵塞等因素影響而產(chǎn)生誤差。此外，篩分法通常需要大量的樣品量，這會(huì)造成其在某些應(yīng)用中可能受到限制。

激光衍射技術(shù)因其多方面的優(yōu)勢(shì)成為篩分法一個(gè)有吸引力的替代方案。它是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，能夠快速測(cè)量且所需樣品量更少。激光衍射還能提供高度可重復(fù)和可再現(xiàn)的結(jié)果，使其成為許多行業(yè)從篩分技術(shù)轉(zhuǎn)型，進(jìn)行常規(guī)粒度分析的方法。

然而，篩分法和激光衍射法在測(cè)量原理上的差異可能導(dǎo)致兩種技術(shù)測(cè)得的粒度分布有所不同。本文探討了這些差異的根源，并介紹了 Mastersizer 3000+ 軟件中支持篩分的規(guī)格轉(zhuǎn)換到激光衍射工作流程的功能。

基于篩分的粒度分布反應(yīng)了樣品在不同篩網(wǎng)孔徑所定義的粒度區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量分布。這些級(jí)別通常是對(duì)數(shù)間隔的，其數(shù)量受材料粒度范圍、ISO 標(biāo)準(zhǔn)（例如 ISO 2391、ISO 3310）或行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)（例如 USP 786）的影響。對(duì)于球形顆粒，顆粒在篩網(wǎng)上保留或通過(guò)的篩網(wǎng)孔徑能夠準(zhǔn)確代表其粒度。然而，對(duì)于非球形顆粒，它們通常是通過(guò)其最小或中間卡尺直徑穿過(guò)篩網(wǎng)，且該過(guò)程的可重復(fù)性往往取決于所使用的振篩方式與強(qiáng)度（例如，手動(dòng)搖晃、機(jī)械篩分、濕法或干法篩分，見(jiàn)圖 1）。

圖 1：示意圖顯示不同體積的顆粒通過(guò)相同篩孔

激光衍射基于體積等效球原理，即假設(shè)顆粒與其等體積球體具有相同的光散射特性，因此本質(zhì)上是一種體積加權(quán)技術(shù)。這構(gòu)成了在對(duì)比篩分法與激光衍射法結(jié)果或進(jìn)行方法轉(zhuǎn)換時(shí)需要面對(duì)的首要挑戰(zhàn)。篩分所測(cè)量的是顆粒得以通過(guò)篩網(wǎng)的某一維度，該維度并不等同于體積等效球直徑——除非被測(cè)顆粒為球體。

選取經(jīng)相同標(biāo)稱篩分粒度分級(jí)（如通過(guò)相同孔徑篩網(wǎng)獲得的級(jí)分） 的火山灰樣品，利用 Mastersizer 3000+ 進(jìn)行分析，這些樣品在顆粒形狀上存在差異，可直觀展示篩分與激光衍射結(jié)果之間的不匹配（圖 2）。

圖 2：三種不同火山灰樣品相同篩分級(jí)分的基于體積的粒度分布

激光衍射粒度分布顯示，不同樣品的 Dv10 和 Dv90 數(shù)值存在顯著差異，盡管根據(jù)篩分結(jié)果，這些樣品所含顆粒的大小范圍相同（表 1）。

表1 不同材料相同篩分級(jí)分的 Mastersizer 3000+ 粒度分布百分位數(shù)

圖3: 顯示不同形狀顆粒的火山灰樣品分散圖像

Mazama 火山灰 – 細(xì)長(zhǎng)顆粒和一些板塊狀顆粒

Campanian 火山灰 – 主要由板塊狀顆粒組成

Mount St Helens 火山灰 – 塊狀、更接近圓形的顆粒

這種差異與顆粒的形狀有關(guān)，這一點(diǎn)通過(guò)我們的 Mastersizer 3000(+) 在線動(dòng)態(tài)成像附件 Hydro Insight 得到了證實(shí)。這些火山灰樣品的分散圖像（圖 3）結(jié)合 Hydro Insight 提供的定量形狀參數(shù)數(shù)據(jù)（圖 4）揭示了存在的顆粒形狀范圍，從扁平板塊（Campanian）到細(xì)長(zhǎng)棒狀（Mazama）和塊狀顆粒（Mount St Helens）。

圖 4: Hydro Insight 定量形狀測(cè)量（例如，圓形度）可用于量化樣品之間的形狀差異。

上面展示的樣品是由火山噴發(fā)產(chǎn)生的物質(zhì)，稱為“火山灰"。它由 <2 mm 的火山巖碎片組成，根據(jù)噴發(fā)強(qiáng)度和形成火山的類型，其尺寸和形狀可能有顯著差異。這種物質(zhì)的尺寸和形狀是預(yù)測(cè)噴發(fā)后該物質(zhì)在大氣中擴(kuò)散模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榛鹕交覍?duì)人類健康和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成危害。

與許多行業(yè)一樣，之前一直使用篩分法來(lái)測(cè)量火山灰的尺寸。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于顆粒形狀的多樣性以及篩分含有高比例細(xì)顆粒（<50 μm）材料所面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)，僅靠篩分?jǐn)?shù)據(jù)通常無(wú)法提供對(duì)材料特性的充分了解。現(xiàn)在，激光衍射和動(dòng)態(tài)成像等技術(shù)正被納入用于表征火山灰尺寸的工作中。

雖然激光衍射對(duì)火山學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)有吸引力的選擇，但與許多行業(yè)一樣，研究人員仍然需要能夠?yàn)槌黾す庋苌鋬x上限檢測(cè)尺寸范圍（>3.5 mm）的材料整合一些篩分法的數(shù)據(jù)。同樣，由于篩分仍然是一種廣泛使用的方法，研究人員也希望能夠在不同技術(shù)之間比較粒度數(shù)據(jù)。

Mastersizer 3000+ 軟件 Mastersizer Xplorer 具有多種軟件工具，支持用戶將激光衍射粒度分布與篩分法的結(jié)果進(jìn)行比較，以及支持方法和規(guī)格轉(zhuǎn)換的功能。這些功能包括：

1. 結(jié)果擴(kuò)展

2. 結(jié)果模擬

3. 自定義用戶尺寸

這些功能可在測(cè)量和 SOP 設(shè)置中找到（圖 5）。結(jié)果擴(kuò)展選項(xiàng)使用粗篩數(shù)據(jù)（例如，>2 mm）擴(kuò)展激光衍射結(jié)果。結(jié)果模擬通過(guò)調(diào)整篩分與激光衍射粒度分布之間因形狀差異引起的問(wèn)題來(lái)支持方法轉(zhuǎn)換。

圖 5. 支持用戶轉(zhuǎn)換方法以及比較篩分與激光衍射結(jié)果的數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)