标题激光粒度仪在色釉料行业中的应用

摘要

本文简述了激光粒度仪的原理和结构，指出了它的性能特点和对色釉料行业的适用性，举例说明了它在色釉料日常生产性测试和研发性测试中的作用，最后探讨实际应用中遇到的问题和及其解决办法。

关键词：激光粒度仪;色釉料，激光，粒度，测试

1 引  言

色釉料是陶瓷制品的“行头”，直接关系到陶瓷产品的“卖相”。随着我国陶瓷产品产量和质量的迅速提高，色釉料行业在最近10多年也迅速发展壮大，现已成为陶瓷产业的重要分支。从形貌上看，色釉料是一种粉体，其粒度分布直接影响到它的呈色特征和呈色强度，必须准确测定并加以严格控制 [1]。最早用来测量粒度的设备是标准筛，但是它只能测量一个或几个粒径点上的筛余量，不能给出详细的粒度分布；并且测试的劳动强度大、精度低。后来发展到用沉降式粒度仪测量，它虽然能够测得详细的粒度分布，但操作比较繁琐、重复性较差、测量范围窄。最新的方法是激光粒度分析仪。由于它具有测量范围宽、重复性好、速度快、操作容易等显著优点，非常适合色釉料行业的使用。为了色釉料行业的生产、技术和研究人员更好地了解和使用激光粒度仪，本文将介绍激光粒度分析仪的原理和性能特点，举例说明它在色釉料行业的具体应用，最后探讨使用中存在的问题及其解决办法。

2  激光粒度仪的原理和结构[2]

激光粒度仪利用了颗粒对光的散射（衍射）现象，即光在行进过程中遇到颗粒（障碍物）时，会有一部分偏离原来的传播方向；颗粒尺寸越小，偏离量越大；颗粒尺寸越大，偏离量越小（参见图1）。

光是一种电磁波，散射现象的物理本质是电磁波和物质的相互作用的结果。在球形、匀质、各向同性的假定下，散射现象可用严格的电磁波理论，即Mie散射理论描述。

图1  光的散射现象示意图

散射光场的强度分布为：

I(θ)=Ia（θ）+Ib（θ）,

其中Ia和Ib分别表示垂直于散射面和平行于散射面的散射光强分布:

式中，θ表示散射角，al和bl的表达式如下：

此地，)，，；式中，为介质的介电常数，为散射粒子的介电常数，为电导率，和分别为真空和介质中的光波长，r为粒子半径，而

其中，和分别是第一类贝塞尔函数和诺俟曼函数。和的表达式则为：

其为一次缔合勒让德多项式。

Mie理论是描述散射光场的严格理论，适用于经典物理意义上任意大小的颗粒。但是对大颗粒()，Mie散射公式及其数值计算都相当复杂。

当颗粒尺寸较大（至少大于2倍波长），并且只考虑小角散射时（散射角小于15°），散射光场可用较简单的Fraunhoff（弗朗和费）衍射理论近似描述：

。

式中，θ表示散射角，J1表示一阶贝塞尔函数，r 表示颗粒半径，f 表示光学系统的焦距，A 为常数， k=2π/λ（波数），λ为光的波长。

    仪器结构见图2。

图2  激光粒度仪的经典结构

    光电探测器阵列（见图3）用来测量散射光的分布。它是一系列的同心环，每个环都是一个独立的探测单元，其面积随着直径的增大而呈指数式增大。对某一固定粒径xi（=2ri）的颗粒，第j个探测单元接收到的光能是散射光强对该单元整个探测面的积分：

，

其中，θj和 △θj分别代表第j探测单元对应的散射角下限和角范围。因此尽管散射光的强度分布总是中心大，边缘小（见图1），但探测器测得的光能分布的峰值却总是在中心和边缘之间的某个单元上，见图4。当颗粒直径变小时，散射光的分布范围变大，光能分布的峰值也随之外移（见图4）。

图3  环形光电探测器阵列

图4  大小为8μm和16μm的颗粒产生的散射光能分布

    仪器测量范围内所有代表粒径的一单位重量的颗粒散射在所有探测单元（n个）上的光能，就组成了光能矩阵，即：

矩阵中每一列代表一个代表粒径一单位重量的颗粒产生的散射光能分布。因此:

式中w1，w2，…，wn代表颗粒的重量分布。根据上式，只要已知散射光能分布s1,s2,…,sn,通过适当的数值计算手段可以计算出与之相应的粒度分布。图5是粒度分布曲线示例。

（a） 单峰分布

（b）多峰分布

图5  粒度分布曲线示例

3  激光粒度仪的性能特点及其对色釉料行业的适宜性

激光粒度仪的原理和结构决定了它的性能有以下特点：

（1） 能给出极为详尽的粒度分布数据（见本文第4节）：包括粒度分布表、粒度分布曲线、中位径、平均粒径、边界粒径（用以科学地界定粒度分布范围）。 这些数据对确定色釉料颗粒的平均大小、均匀性（粗细搭配）、配料是非常有用的。

（2） 测量范围大，能覆盖色釉料的整个粒度范围：它在一个量程内就能测量小至亚微米（约0.1μm），大至数百微米的粉体粒度。在色釉料产品中有最细的釉下色料的粒度分布范围约为0.5～10μm，最粗的坯用色料粒度为20-45um。激光粒度仪能很好地满足这些要求。

（2） 测量速度快：测量一个样品只需1分钟左右，相当快捷。

（4） 重复性好：实践表明，激光粒度仪测量的中位径的重复误差能保证在3%以内。比如中位径10μm，则误差范围为±0.15μm。

（5） 操作方便：除了样品的准备过程之外，激光粒度仪的测量过程都是自动完成的，并且使用过程中不容易出现故障，因此操作很方便。欧美克最新研制成功的“易赛（Easysizer）”系列产品，甚至无须作测试前的样品准备，只要按下“测量键”，再在计算机的提示下投入适量的样品，测量就可自动完成。

传统上用于色釉料粒度测量的手段还有筛分法和沉降法。筛分法只能测到筛余量，得不到详细的粒度分布，并且操作较繁琐，劳动强度大，重复性较低。沉降法是激光散射（衍射）法出现以前唱主角的粒度仪器。其缺点是：（１）动态范围小，同一量程内能测的最大与最小颗粒之比约为（20：1），与色釉料的粒度分布宽度相当，较粗颗粒或较细颗粒的信息容易失真。（2）测试结果受操作者的习惯、熟练程度以及环境温度影响较大，实际重复性较差。（3）测量时间一般在30分钟左右，或者更长，测试效率低。

综上所述，我们可以肯定地说，激光粒度仪是迄今为止最适合色釉料行业使用的粒度测试仪器。

4 激光粒度仪在色釉料行业中的应用实例

本节举例说明激光粒度分析仪在色釉料行业的应用。

    4.1  日常生产中的粒度分析

图6是含有Cr、Co的孔雀蓝色料的测试报告，图7是含有Zn、Cr、Fe的棕色色料的测试报告。分析这两个报告，我们可以看到两个样品的粒度分布上限值基本一致（D90分别为7.90μm和8.09μm），但各粒径段的重量百份含量却差异甚大，例如4.91μm以下百分含量(见粒度测试报告中的粒径分布表)，第一个样品为80.67，第二个样品则为62.08。如果用的是筛分法，就无法发现上述差异。

图6 孔雀蓝样品的粒度测试报告

图7 棕色样品的粒度测试报告

  用于分析外来色釉料产品的粒度组成及粉碎工艺

本案例来自色釉料的研发实践。某单位获得一个进口色釉料样品，想进行复制。经过多次试验，做出来的复制品在化学成分上已经与进口样品基本一致，但使用效果就是不同。通过激光粒度分析仪测试，其粒度分布如表1，对应的粒度分布曲线如图8：

表1  某进口色釉料的粒度分布表

图8  某进口色釉料的粒度分布曲线

从表1和图8可以看出，此样品明显是由两个粒度分布峰组成，峰值分别在2μm和10μm附近。按常理论，实际生产中不容易一次粉碎而成。因此，我们推断该样品是两种粉分别粉碎到一定粒度，然后再混合而成。接着我们根据上述推断，进一步分析这两种组分的比例及粒度分布特征。得到的结果如下：

组分1：占总量比例71.7% ，D10=1.27，D50=1.74，D90=2.38 

组分2：占总量比例28.3％，D10=6.89，D50=9.47，D90=13.51

根据上述分析结论，该单位成功地复制出与原样基本一致的色釉料。

５　激光粒度仪在行业应用中遇到的若干问题

激光粒度仪的推广应用对推动我国色釉料行业的技术进步显然是有积极作用的。在推广的过程中，也遇到一些问题，主要表现在两方面：

（１） 与传统筛分法结果的对比

色釉料行业传统上用筛分法来检测产品的粒度。尽管方法比较落后，但在全行业已得到广泛的认可。因此有些初次使用激光粒度仪的用户总是拿激光粒度仪在某粒径点上的累积值与筛分的筛下百分含量进行对比，要求二者一致。直观地想，这种对比是理所当然的。但是，粒度测量和一般的理化测量完全不同：不同原理的两种粒度测量方法测试结果应该是不一致的［3］，一致的反倒是特例，或是经过人为调整的。

受传统观念的束缚、思维习惯的影响或传统生产工艺的制约，有时用户会对上述差异表示不理解或强烈要求仪器供应商修改激光粒度分析仪的测试结果，使之与传统结果一致。由于激光粒度仪使用了计算机作为部件，作这种修改并不难。问题是修改后测试结果失真。因此最好是让用户逐步接受激光粒度仪的结果。大家都清楚，激光粒度仪已经是一种很成熟的仪器，而且比筛分法要先进得多。

（２）不同激光粒度仪之间的量值对比

有时用户会发现不同的激光粒度仪给出的测试结果有差异。造成这种现象的原因有仪器光学结构的差异、数据分析软件的不同、仪器工作状态的漂移、人为的结果修改（比如为了与筛分结果相对照）等等。解决这一问题的有效方法是制备适合于本行业的标准样品，用以校准所有的仪器。这需要全行业的配合与努力。

６　结束语

激光粒度仪是集成了激光技术、传统光学、光电技术、现代电子和计算机技术的先进的粒度测试仪器，具有测量范围宽、数据详细、速度快、重复性好、操作方便等优点，非常适合色釉料行业使用。它既可作为日常生产用的检测设备，也可作为研究用的工具。它的全面推广使用，将有助于色釉料行业技术水平的进一步提高。

它的测试结果与传统筛分法不一致，属于正常现象，用户应逐步接受。而不同激光粒度仪之间的测试结果差异，要通过行业专用标准样来校准。

参考文献

[1] 俞康泰等, 陶瓷色料的检验方法和品质管理, 中国硅酸盐学会陶瓷分会2003年学术年会论文集, P104

[2] 张福根,论现代激光粒度仪采用全米氏（Mie）理论的必要性，中国粉体技术，Vol.2, No.1, Mar. 1996 

[3] 张福根, 粒径测量及用于磨料的各种颗粒仪器, 中国粉体技术, Vol.6, No.1, June.2000