粉体颗粒物性
【精品文章】粉体的物理和化学特性 如何全面表征？
粉体的物理和化学特性如何全面表征？
粉体通常是指由大量的固体颗粒及颗粒间的空隙所构成的集合体。
组成粉体的最小单位或个体称为粉体颗粒。
粉体的重要特性可以分为四类：（1）物理特性，（2）化学成分，（3）相成分，（4）表面特性。
粉体的这些特性对坯体的颗粒堆积均匀性和烧结过程中的微观结构变化有很大的影响，下面就粉体特性的表征方法做简要概述。
一、粉体粒度、粒度分布分析
1、粉体颗粒粒度定义
粉体一般由不同尺寸的颗粒组成，这些尺寸分布在某一范围内。
对不规则形状颗粒的尺寸定义有很多种，我们关注的一般是平均颗粒尺寸，根据定义不同有三种：线性平均粒径、表面平均粒径和体积平均粒径。
颗粒形状对流动性和粉末堆积程度有一定影响，一般倾向于球形和等轴状粉末的使用，因为它们能提升固体的堆积同质性。
表1不同颗粒尺寸名称及定义
2、粉体粒度及粒度分布表征方法
粉体粒度及粒度分布表征方法主要有：筛分法、显微分析法、沉积法、激光法、电子传感技术、X射线衍射法。
目前最常用的粒度分析方法是采用激光粒度分析仪。
激光粒度分析仪
粉体粒度测试方法对比表：
二、粉体形貌分析
表面形貌表征技术基于微观粒子（原子、离子、中子、电子等）之间的。
2 粉体的物性
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二、粉体的开放屈服பைடு நூலகம்度
2 cos φi fc = τ0 1 − sin φi
0 0
=0，fc=0 （Ⅰ类粉体不结拱） =0， 类粉体不结拱）
不等于0 不等于0，fc=常数（ Ⅱ类粉体，与预压缩 类粉体， 应力无关） 应力无关） fc随 0 的增加而增加 （ Ⅲ类粉体，随预压缩 类粉体， 应力的增加而增加） 应力的增加而增加）
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四、粉体流动性的影响因素与改善方法 1.增大粒子大小 1.增大粒子大小 对于粘附性的粉状粒子进行造粒， 对于粘附性的粉状粒子进行造粒，以减少粒子间的 接触点数，降低粒子间的附着力、凝聚力。 接触点数，降低粒子间的附着力、凝聚力。 2.粒子形态及表面粗糙度 2.粒子形态及表面粗糙度 球形粒子的光滑表面，能减少接触点数， 球形粒子的光滑表面，能减少接触点数，减少摩擦 力。 3.含湿量 3.含湿量 适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。 适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。 4.加入助流剂的影响 4.加入助流剂的影响 加入0.5%～2%滑石粉 滑石粉、 加入0.5%～2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大 改善粉体的流动性。但过多使用反而增加阻力。 改善粉体的流动性。但过多使用反而增加阻力。
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2.5 Molerus 粉体分类
2.6 粉体的流动性
粉体颗粒的物性
测量/描述方法：将连续的粒度分布范围分成多个 离散的粒级 D，测出各粒级中颗粒的个数或质量 百分数。
– 显微镜法 – 计数器法 个数分布数据
– 筛分析法
– 沉降法 – 数学函数法
质量分布数据 概率理论或近似函数的经验法寻 求数学函数，以描述粒度分布
粒度的频率分布
频率及频率分布的概念
大小为DP的颗粒在样
1 粉体颗粒的物性
1.1 颗粒的尺寸与尺寸分布
1.2
1.3
颗粒的形状
颗粒的阻力系数与自由沉降
1.4
粉体间的作用力
1.5 粉体颗粒的团聚性
颗
粉粒体 粉
粒 （＞100 μ m）
体 （1～100μ m） 角 针 状 状
超细粉体 （0.1～1μ m） 纳米粉体 （＜ 0.1μ m）
树 枝 状 纤 维 状 片 状
累积分布
累积分布的概念
把颗粒大小的频率分布按一定的方式累积，便得到 累积分布的类型 几点说明 相应的累积分布。
1. 将频率或频数按照粒径从小到大进行累积——负累积；所得到
累积分布表示小于（或大于）某一粒径的颗粒在全部 工程上累积分布比频率或频数分布曲线用的广泛。 的累积分布表示小于某一粒径的颗粒的数量或百分数，曲线又称为累
定向最大径
S1 Martin径 S2
Feret径
对于一个颗粒，随方向而异，定向径可取其所有方向的平 均值；对取向随机的颗粒群，可沿一个方向测定。
总 结
粒径的统计特征
粉体的粒径具有统计特征，而不是对单个颗粒的尺 寸。所以，一般将颗粒的平均大小称为粒度。习惯上可
将粒径和粒度二词通用。
粒径的表示方法
颗粒的大小用其在空间范围所占据的线性尺寸表示。 球性颗粒的直径就是粒径（particle diameter）。非球形颗 粒的粒径则用球体、立方体或长方体的尺寸表示。其中用 球体的直径表示不规则颗粒的粒径应用得最普遍，称为当 量直径或相当径（equivalent diameter）。
化妆品粉体的基本性质及功能
化妆品粉体的基本性质及功能彩妆按照分散技术不同，可分类为粉体(powder)彩妆、乳化彩妆、油分散彩妆。
粉体的作用是，为化妆品赋予色调，或构成产品的骨骼。
本文欲从粉体的基本特性着手，带大家了解使用在化妆品上的粉体的特性及功能、用于改善粉体的功能的表面处理方法。
1. 粉体的基本特性粉体(powder material)可以视为固体、液体、气体以外的第四性状。
粉体和固体一样拥有结晶性，与液体一样拥有流动性，与气体一样在不同的粒度（grain size/granularity）表现出飞散(free flowing)性。
粉体是多个固体微粒的集合体，粒子之间有一定的相互作用存在。
考虑一种粉体粒子的基本性质时，应区分粒子的大小、表面能量、表面构造、表面物性等因素。
如果按粒子大小分类可分为——广义的粉体：1 nm ~ 1 mm，狭义的粉体：< 50 um，微粉体：1 um ~ 50 um，超微粉体：10 nm ~ 1 um。
粉体以1um粒度为分界线，表现出的物理、化学性质有以下差异（见表1）。
粗大粒子(Macro particle)的特征——不凝集、流动性增加。
微粒子的特征——粒子的附着力增加，超过重力的影响而出现凝集。
粉体粒子的物理性质可分为粒子性质与粉体性质（见表2）2. 化妆品用粉体的特性化妆品用的粉体可以分为无机颜料(体质颜料、白色颜料、彩色颜料)、有机颜料、天然颜料、珠光颜料等等（详见表3）。
体质颜料：是构成骨骼的原料，以天然的粘土矿物如云母、滑石粉最具有代表性，另外还有高岭土(kaolin)、碳酸钙、碳酸镁等等。
有机颜料：以tar color为代表，可分为染料、色淀颜料、颜料等3个类别。
染料(Dye)：溶于水或者溶剂，具有染色功能的原料。
按照发色团的化学构造分类（水溶性染料、油溶性染料）。
颜料(Pigments)：色素自身构造不携带可溶性基，不溶于水、油、溶媒等。
按构造可分类为偶氮(Azo)系、靛蓝(indigo)系、酞花菁(Phthalocyanine)系颜料等。
第三章 粉体的物性与流变学
设密度ρ1的大颗粒单独填充时空隙率为ε1，将ρ2、 ε2的小颗粒填充到大颗粒的空隙中，则填充体单位 体积大颗粒的质量W1为： W1＝（1－ε1） ρ1
小颗粒质量
W2＝ ε1 （1－ ε2 ） ρ2
混合物中大颗粒的质量比率为
f W1
(1 1)1
W1 W2 (1 1)1 2 (1 1)2
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2.2 影响休止角的因素 （1） 颗粒的形状 （2） 颗粒的大小 （3 ）粉体的填充状态
对于不同粉体，空隙率越大，填充越困难，休止角越大 对于同种粉体，空隙率越小，休止角越大（接触点增多）
（4） 振动 （5） 粉料中通入压缩空气时，休止角显著地减小
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3、 流出速度(flow velocity) 将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时
9
(a) 装配图
(b) 流速漏斗 松装密度测定装置一
(c) 量杯
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(1) 漏斗 (2) 阻尼箱 (3) 阻尼隔板 (4) 量杯 (5) 支架
松装密度测定装置二
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第二节 粉体的填充与堆积
一、粉体的空隙率 空隙率（porosity）是粉体中空隙所占有的比率。 粒子内空隙率 内=（Vg-Vt ） / Vg =1-g / t 粒子间空隙率 间= （ V-Vg ） / V = 1- b/g 总空隙率 总= （ V -Vt ） / V =1- b/t
粒子间的附着力、凝聚力。
2.粒子形态及表面粗糙度
球形粒子的光滑表面，能减少接触点数，减少摩擦力。
3.含湿量
适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。
4.加入助流剂的影响
加入0.5%～2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大改善粉
体的流动性。但过多使用反而增加阻力。
粉体的物性
粒的大小、颗粒间的相互作用，以及填充条件的变
化而变化。
二、粉体的堆积密度
（一）粉体密度的概念
• 粉体的密度系指单位体积粉体的质量。 • 由于粉体的颗粒内部和颗粒间存在空隙，
粉体的体积具有不同的含义。 • 粉体的密度根据所指的体积不同分为
真密度、颗粒密度、松密度三种。
• 压缩性(compressibility)表示粉体在压力下 体积减少的能力。 成形性(compactibility) 表示物料紧密结合成一定形状的能力。
• 粉体的压缩性和成形性简称压缩成形性。 • 压缩成形理论以及各种物料的压缩特性，
对于处方筛选与工艺选择具有重要意义。
• 粉体的可压缩性
– 当粉体在松动堆积状态受到压缩作用时，其堆 积体积将减小。颗粒间的空隙亦相应地减小。 粉体的可压缩性跟其堆积状态有关，用以表征 粉体的可压缩性。定义如下：
• 是指粉体质量除以该粉体所占容器的体积VB求 得的密度，亦称堆积密度。
ρB= M / VB
填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得
的密度称振实密度（tap density）ρBt。
若颗粒致密，无细孔和空洞，则ρt = ρg 一般： ρt ≥ ρg ＞ ρBt ≥ ρB
• 粉体的堆积/容积密度 B
• 正方形排列层 • 单斜方形/六方系排列层
正方形排列层 等边三角形/菱形/六边形排列层
均一球形颗粒的基本排列层
最
最
密
松
dP= 7.56mm，自然投入堆积，实验测量可以与表2-2计算结果 相比较。一致，非常吻合！
随机堆积计算方法（公式）比较（经验关联）。
2.2 粉体的可压缩性
一、粉体的压缩特性体晶格压密过程
粉末物性测试 振实密度 休止角 崩溃角 流动性指数
成都天依科创科技有限公司检测测试
粉体物性测试振实密度休止角崩溃角流动性指数
粉体物性是粉体材料的基本特性，研究粉体物性对粉体生产、加工、包装、运输、储存、应用等具有重要的实际意义。
比如：
a.设计储料仓的锥度时要考虑休止角和崩溃角；
b.设计包装袋或包装桶时要考虑振实密度和松装密度；
c.在管路中用气体输送粉体时要考虑流动性指数和喷流性指数等等。
粉体物性有如此多的实际意义，对粉体物性的测试意义重大。
10.均齐度：均齐度是粒度分布的D60和D10的比值。
11.凝集度：凝集度是一种根据粉体在筛分时表现的特性，对于颗粒内应力的作出的解释性
测量的一个指标。
12.流动性指数：流动性指数是休止角、压缩度、平板角、均齐度、凝集度等项指数的加权
和。
流动性指数与压缩度有关。
13.喷流性指数：喷流性指数是流动性指数、崩溃角、差角、分散度等项指数的加权和。
第二章续+粉体物性概述
1、粉体的定义
所谓粉体就是大量固体粒子的集合体，而且 在集合体的粒子间存在着适当的作用力。 粉体粒子间的相互作用力，至今仍无明确的 定量概念。通常是指在触及它时，集合体就发生 流动、变形这样大小的力。粉体粒子间的适当作 用力是粒子集合体成为粉体的必要条件之一，粒 子间的作用力过大或过小都不能成为粉体。
成不同尺寸的粉体有利于进行颗粒级配，达到紧密
堆积。
4） 使粒子具有流动性，便于给料控制及输送（特
别是气力输送）。 5） 便于不同组分的分离。为了剔除某些有害成分， 必须减小粒子的尺寸，才能进行分离操作。选矿即
利用此原理。
4、粉体的特点
材料成为粉体时具有以下特征
→不连续性，粉体由许多各自独立的大小不同 的粒子组成，能控制物性的方向性 →流动性，在流动极限附近流动性的变化较 大，能在固体状态下混合 →离散集合是可逆的 →具有塑性，可加工成型 →粒子形状不规则性 →比表面积大，具有化学活性，粉体化后粉体表面 存在着物质分子间结合的过剩能
力之间的平衡等。 ∞ 动力学性质—流动性，对材料的磨损性 以上分类，只是为了便于研究，在处理工程问题
时，应从粉体的各个方面加以全面考虑。
思考与练习
• 1、有二种粉体A和B，A的325目筛余 为25%；B的425目筛余为25%。哪种 粉体相对更细？
• 2、与其它形式的物质相比，粉体具有 哪些特点？
如粉体的粒度，形状，粒度分布比表面等性质。
根据粉体的特性有目的地对生产所用原料进 行粉体的制备和粉体性能的调控、处理，是获得
性能优良的材料的前提。
由于粉体中大量固体粒子的集合体，在进行 粉体的研究中就须从两方面加以考虑，那就是要 同时考虑到单个粒子的性质，也要考虑到大量固 体粒子的集合体的性质。
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自由沉降速度
当颗粒达到自由沉降时，流体对颗粒的曳力等于颗粒的重力减去 流体对颗粒的浮力，即：
Fd
6
(P
f
)gd 3
将上式带入阻力系数定义公式得颗粒的自由沉降速度t ：
t
4(P f )gd 3 f Cd,s
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粉体颗粒物性
1
颗粒的尺寸与尺寸分布
2
颗粒的形状
3 颗粒的阻力系数与自由沉降速度
由于颗粒的团聚性主要取决于颗粒间的作用力和颗粒的重力之 比，定义颗粒的团聚数 Co为：
Co Fint er mg
其中 m——颗粒的质量； Finter ——颗粒间的作用力，主要有颗粒间的范德华力、毛细力、
静电力和烧结作用等。
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参考文献
• 谢洪勇等.粉体力学与工程（第二版）[M]. 北京：化学工业出版社，2007:1-28.
①筛分尺寸dr 由筛分所测的颗粒尺寸；(筛分是将粒子群按粒子的大 小、比重、带电性以及磁性等粉体学性质进行分离的方法；用带孔的 筛面把粒度大小不同的混合物料分成各种粒度级别的作业叫筛分。)。
②体积尺寸dv 定义为非球形颗粒折成等体积球的直径。
dv
(
6V
)
1 3
式中V——颗粒体积。
颗粒的尺寸分布
通常，粉体由不同尺寸的颗粒组成，故有尺寸分布。颗粒尺 寸分布有表格表达法和作图表达法两种表达方法。
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颗粒间的静电力
相互接触的颗粒有相互运动时，颗粒间将有电荷的转移。当相 互接触的颗粒为导体时，由于他们电子电动势的不同，电荷将从电 势低的颗粒转移到电势高的颗粒。由于电荷的转移，颗粒将带电， 颗粒间会有静电力的存在。
图为一些操作单元颗粒带电强度的参考值
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粉体颗粒物性
1
颗粒的尺寸与尺寸分布
2
颗粒的形状
3 颗粒的阻力系数与自由沉降速度
4
颗粒间的作用力
5
颗粒的团聚性
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颗粒间团聚
团聚机理
当颗粒间的作用力远大于颗粒间的重力时，颗粒的行为在很大 程度上已不再受颗粒重力的约束，颗粒有团聚的倾向。
颗粒的团聚能改善细颗粒的流动性、避免粉尘和易于包装，但 也有不利的方面，如使用前需要混合操作等。
因 素
③表面粗糙度（范德华力随颗粒表面粗糙度 半径的增加而迅速衰减）。
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颗粒间毛细力
当粉体暴露在湿空气中时，颗粒会进行对水分的吸收，吸收饱 和状态，颗粒之间的空隙会出现水分凝结，形成液桥。
当颗粒间形成液桥时，由于表面张力的毛细夜差的作用，颗粒 间将有作用力存在，该力称为毛细力。
颗粒间的液桥一旦形成，毛细力大于范德华力，将决定颗粒 的行为。此时粉体将具有液浆的特性。
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粉体颗粒物性
1
颗粒的尺寸与尺寸分布
2
颗粒的形状
3 颗粒的阻力系数与自由沉降速度
4
颗粒间的作用力
5
颗粒的团聚性
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颗粒的阻力系数
球形颗粒的阻力系数Cd ,s 定义为：
Cd ,s
4
Fd
d
2
1 2
f
2
其中 Fd ——流体对颗粒的曳力；
——流体的速度。
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4
颗粒间的作用力
5
颗粒的团聚性
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颗粒间的范德华力
通常，颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子，特别 是表面原子或分子的电子运动，颗粒会发生瞬时偶极，使得相互靠近 的两颗粒发生相互吸引，产生范德华力。
①表面吸附气体会增加范德华力；
影
②颗粒变形使得接触面积增加，加大
响
范德华力；
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如图为粉体颗粒百分数积累尺寸分布图
平均颗粒尺寸
常用的颗粒平均尺寸有三种：
①中间尺寸：颗粒百分数达到50%所对应的 颗粒尺寸； ②最大频率尺寸：频率尺寸分布图中颗粒频率峰值 所对应的颗粒尺寸；
③动量矩平均尺寸x：在频率尺寸分布图中平均尺寸
对纵坐标的动力距等于所有颗粒尺寸区间对纵坐标动 量矩之和
尺寸分布宽度
e V VP V
M
V
粉体颗粒物性
1
颗粒的尺寸与尺寸分布
2
颗粒的形状
3 颗粒的阻力系数与自由沉降速度
4
颗粒间的作用力
5
颗粒的团聚性
颗粒的形状
颗粒的球形度
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颗粒的球形度
Wadell定义的球形度 为：
等体积球的表面积 颗粒的表面积
d d
2v 2s
由于同体积的形状中球的表面积最小， 所以，颗粒的球形度小于等于1，且颗粒 的形状与球偏离越大，球形度越小。
平均尺寸用以表征颗粒尺寸的大小，尺寸分布宽度 用以表征颗粒尺寸的分布特征。
颗粒尺寸分布宽度 s 2d50% 定义为：
s d84% d16%
2d50%
2d50%
颗粒密度和多孔率
如图为一多孔颗粒，V为 颗粒表观体积，Vp为真体 积，则：
颗粒动力密度（颗粒密度）：
颗粒的真密度： 颗粒的多孔率：
真
M VP
气固两相流
——粉体物理化学性能
主讲人：XX
粉体颗粒物性
1
颗粒的尺寸与尺寸分布
2
颗粒的形状
3 颗粒的阻力系数与自由沉降速度
4
颗粒间的作用力
5
颗粒的团聚性
颗粒的尺寸与尺寸分布
①颗粒尺寸 ②颗粒的尺寸分布 ③平均颗粒尺寸 ④尺寸分布宽度 ⑤颗粒密度和多孔率
颗粒尺寸
对于球形颗粒，其尺寸为直径； 对于非球形颗粒，其尺寸取决于尺寸的定义，如下所述，介绍了两种 常用的尺寸定义：