费氏粒度测量方法.docx

费氏粒度测量方法1 前言费氏法是一种比较简便的粒度测量方法，它基于测量空气透过粉末堆积体的速度，依据kozeny-Carman 公式求出粉末的平均粒度。所使用的仪器为费氏仪，由美国Fisher Scientific Co.〔1〕研制，并用公司的第一个字来命名。该仪器结构简单，操作方便，价格低廉，不需要作任何计算，从读数板上可直接读出粒度值。仪器的英文全名为Fisher Sub-sieve Sizer，在我国有不同的译法，有译成“费氏筛”，也有译成“费氏亚筛粒度仪”等等。有些人因此对此名有误解，认为这是一种筛子。其实，它与筛子没有任何关系，所指的亚筛(Sub-sieve)是表示该方法测定的粒度范围为亚筛级的粉末(通常小于50μm)，即用普通机械筛分法不能筛分的粉末。严格地讲，此仪器应翻译成“费歇尔亚筛级粉末粒度测定仪”。我国标准〔2〕称此方法为“费氏法”，这里沿用了这一术语。该方法是一种相对的测量方法，不能精确地测定出粉末的真实粒度，仅用来控制工艺过程和产品的质量。该方法只能精确地测量空气通过粉末堆积体时的透过率，其值的大小取决于它的孔结构。粉末堆积体的孔隙度、颗粒形状、粒度、粒度组成、粒度分布和压制方法等均影响孔的结构。因此，该方法仅适用于化学成分相同和粒度组成相似的粉末。对于化学成分相同而粒度组成不同的粉末，则会产生较大的测量误差。有时化学成分相同而粒度组成不同的两种粉末会得到相同的费氏值，因为它们有相同的透过率。因此，该方法所测量的粒度值不能和其它粒度测量结果进行比较。2 原理费氏法属于稳流(层流)状态下的气体透过法，基于空气在恒定压力下先透过粉末堆积体，然后通过可调节的针形阀流向大气。根据空气透过粉末堆积体时所产生的阻力和流量求出粉末的比表面积和平均粒度。2.1 平均粒度的计算粉末的比表面积由Kozeny-Carman方程给出： (1)式中 SW——粉末质量比表面积，cm2／g； ε——粉末堆积体的孔隙率； A——粉末堆积体横断面积，cm2； ΔP——压差，△P＝ρ水g重(P－F) (ρ水：水的密度，＝1g/cm3；g重：重力加速度，＝980.665cm/s2)； P——样品前空气的压力，cmH2O (1cmH2O≈102Pa，下同)； F——样品后空气的压力，cmH2O； K——Kozeny因子； L——粉末堆积体厚度，cm； η——空气粘度，g.cm－1.s－1； Q——空气流量，Q＝C′F (C为针形阀的流量系数，cm3.s－1.cmH2O－1)，cm3／s； ρ——粉末的有效密度，g/cm3。对于球形颗粒粉末，质量比表面积与平均粒径之间有如下关系： (2) 式中 D——平均粒度，μm。粉末有效密度按照GB5161－85〔3〕方法测定。当颗粒内不含有闭塞孔时，其密度等于其材料的真密度。Kozeny因子与粉末颗粒的形状和粒度分布有关，在费氏法中，取K值为5.0。粉末堆积体的孔隙率由下式给出： (3) 式中 M——粉末质量，g。把上述相关已知量和式(1)及式(3)代入式(2)中，则平均粒度可由下式给出： (4) 定义C为，则式(4)变为式(5)。 (5) 在费氏法中，取试样的质量在数值上等于粉末的有效密度，即M＝ρ，则式(3)可简化成式(6)。 (6) 把式(6)代入式(5)中，则： (7) 2.2 粒度读数板的绘制费氏法的平均粒度值可从预先绘制的粒度读数板上直接读取，不需作任何计算，这就是费氏法的独到之处。粉末堆积体的厚度可从式(6)中求出： (8)当试样横断面积A被确定后，可按式(8)绘制一条以孔隙率为横坐标，试样厚度为纵坐标的试样高度曲线，供压制粉末试样用。压力计前臂高度F／2可由式(7)求出： (9)当试样横断面积A、仪器常数C和试样前空气的压力P被确定后，可按式(9)绘制一组以孔隙率为横坐标，F／2为纵坐标的等粒度曲线。把试样高度曲线和等粒度曲线绘制在同一块板上，便得到费氏法的粒度读数板。典型的费氏粒度测定仪〔1〕规定的取值为：A＝1.267cm2、P＝50cmH2O、C＝C1＝3.8cm3／2(即为一档的结果)。则式(9)为： (10)取C＝C2＝7.6cm3／2(即为二档的结果)，由式(10)求得的D值应乘以2。按式(8)和式(10)在粒度读数板上绘制的试样高度曲线和等粒度曲线示于图1。图1 试样高度和等粒度曲线2.3 测量范围的扩大费氏仪所提供的读数板，其孔隙率为0.40～0.80。但有些样品在0.40孔隙率的情况下仍不能被压实时，需要增加粉末试样量。而有些样品在0.80孔隙率的情况下压不下去，则需要减少粉末试样量。如果此时仍然要依据粒度读数板上的曲线进行测量，则需要对读出的数据按式(11～13)进行修正。 (1