颗粒度的测定

    陶瓷原料中的颗粒度对日用陶瓷原料的可塑性、注浆性能、生坯强度及烧成过程中的物理变化都是一个相当重要的参数。一般用重量百分比表示，也可用累积曲线或粒度分布曲线表示。

    颗粒度的测定方法很多，共分二大类，即粗颗粒（＞63m）的用筛分法，细颗粒（＜63m用沉降法（采用斯托克斯定律）。

    1．筛分法用于测定粗分散物质和粉末的颗粒组成，设备简单，操作迅速，工厂方泛采用。＜63m的粘土也用筛分法制备后，才用沉降法分析颗粒组成。筛分法有干法和湿法二种，这里介绍的是比较常用的湿筛法。

    ⑴所需设备

    标准筛（尺寸误差不超过2~5%，各国标准筛的筛比不同，详见本文附表）

    烘箱一台

    瓷研钵一个

    瓷皿二个

    硬毛刷一把

    工业天平一架（最大称量为500~7000g）

    ⑵操作步骤

    将被测原料置于110℃的烘箱中烘干，取出后置于瓷研钵中轻轻敲击（切忌重敲或研磨），将已松散的原料称出100克（精确到0.01克），置入瓷皿中，加水浸湿。20分钟后，在瓷皿中用硬毛刷仔细的搅动，再将搅浑了的原料悬浮液从瓷皿中倾入一个筛孔净宽为0.063毫米（10000孔/厘米²）的筛子，此筛应预先洗净，并在120⁰C下烘干，称至恒重（准确到0.01g ）。为使悬浮泥浆容易过筛，可将筛子放在盛满水的盆里，将筛子小心地轻微动荡，彻底冲洗筛孔。再将瓷皿内的原料搅浑过筛，重复此操作，直至最后盆中所加入的水完全变清为止。将筛连同残渣一并放入110⁰C的烘箱中烘干，称至恒重。

    进行泥浆分析时，需取样100厘米³，按下述方法操作：

    操作时，用水龙头下面的水流冲洗筛子上的泥浆，不得用小刷或手指擦动以及振动筛子，因为这样会影响自然冲洗过程，使分析结果失真。

    ⑶计算

    ①     干料的计算（以筛上残留物重对试料干重的百分数表示）

                               K=×100

    式中   K―筛分含量

    G_1――筛子的重量，克；

    G₂―筛子加残渣的重量，克；

    G―样品重量。

    ②     湿料的计算

    先测出试验泥浆的比重，按表1查出泥浆干物质的重量g₀，再按下式计算筛分含量%

    表1         干物质含量与100厘米³泥浆重量的关系（干物质比重d=2.65）

    式中  K―筛分含量，百分数

    g₁―筛上残渣重量，克；

    g₂―所取泥浆的干物质重量，克。

       2．沉降法（运用斯托克斯定律）

       沉降法用于测定原料的细分散部分（粒径为1~50毫米）的颗粒组成。斯托克斯定律是沉降分析的物理基础。根据这个定律，球形物在与其质量成比例的重力作用下，在粘性介质内运动时，具有与其半径平方成正比的恒定速度。因此，只要测得颗粒在悬浮液中的下沉速度，就可计算出颗 粒半径 。见表2：

       表2                   颗粒沉降速度表

    计算公式如下：

    式中    g―颗粒半径，厘米；

            h沉降液（分散介质）粘度，克/厘米•秒

            g_k―颗粒原粒的比重，克/厘米；

    g_t―沉降液（分散介质）的比重，克/厘米³；

    H―沉降高度，厘米；

    t―沉降时间，秒；

    g―重力加速度，980厘米/秒²。

    沉降法分析常用的种类有⑴移液管法；⑵比重计法；⑶天平法；⑷沉锤法等，移液管法最为常用。

    ⑴移液管法

    此方法仪器构造简单（见图），数据精确度高，但操作时间长，费工时。要做精密测试和校正其他仪器用。这种方法可以测2~65微米的陶瓷原料，是国内外最常用的粒度测定方法。

    ①测试限制条件  对分散介质的粘度应有一定的要求。以最大颗粒计算的雷诺准数必须满足下列公式要求，才能保证沉降过程属滞流。

    Re=d_max・h・D/t0.3

    或沉降速度≤0.3h/d_max・D

    式中   d_max―原料的最大直径，厘米；

    h―沉降高度，厘米；

    K――原料真密度，克/厘米³；

    T――最大颗粒分散介质中的沉降时间，秒；

    h――分散介质粘度，泊。

    从悬浮液静置起到第一次吸样的时间间隔不应少于40秒，以保证最大颗粒沉降速度不大于0.5厘米/秒。

    若原料比重为2.65，温度范围为18~22⁰C，使用10%乙醇（工业纯）水溶液作为分散介质就可满足上述要求。

    若选用六偏磷酸钠为分散剂，分散剂含量为悬浮液重量的千分之二为宜。

    悬浮液浓度为1%，这样既可减少颗粒之间的相互干扰，又可保证蒸残物有合理的称量准确度。

    整个试验应在恒定温度下进行，温度允许偏差±1⁰C。

    ②测试仪器

    沉降瓶   内径为5~6厘米，侧面有0~20厘米刻度到毫米的玻璃沉降瓶一只，零刻度线至瓶底内表面距离不得小于2.5厘米，充满到20厘米刻度线，其容积约为550~600毫升。

    吸管   具有双通塞和侧边放液管的吸管一支。吸管标定10毫升刻度。吸管杆部吸入口必须与零刻度线对齐。

    高速机械搅拌器一台（功率25瓦）

    红外灯一台，电热鼓风干燥箱一台

    分析天平一台

    秒表、干燥器各一个

    烧杯若干

    必要的恒温设备

        ③操作步骤  先校正吸管。清洗并干燥吸管。向垂直放置的沉降瓶加入蒸馏水到20厘米刻度线，置双通塞于取样位置，将蒸馏水吸入泡室至满刻度。转动塞子到放出位置，将水无损地移入已知重量的烧杯中，称量（精确到0.001克），由此折算吸管体积V_r。

记录每次取样沉降瓶内液面的下降量。当吸管不能再吸出液体时，沉降瓶内液面应与零刻度对齐。

    吸管按上述操作校正后就可称样测定。

    将待测试样过250目（63微米）筛，烘干，称取约10克，置于300毫升烧杯中，加入已溶有六偏磷酸钠的蒸馏水溶液稀释至100毫升左右，机械搅拌40分钟以上，搅拌应充分，但不得引起溅失。将搅拌的料浆无损失地移入沉降瓶，加入乙醇，用蒸馏水稀释至20厘米刻度。插入吸管，反复倒置沉降瓶五分钟（每分钟2~4次）。静置，同时开启秒表。

    根据实际需要划分积各级极限斯托克斯直径按下式计算对应的时间t_I(准确到0.1秒)。

    式中  g―重力加速度，取980厘米/秒²；

    d₁―I级限斯托克直径，米；

    ρ―分散介质密度，克/厘米³。

    吸样在t_I前10秒开始，后10秒结束。将吸取液放入已知重量的烧杯中，用蒸馏水冲洗壁面使附于壁面的悬浮物全部进入烧杯中。

    每次取样后，沉降高度都会改变。在后续计算中必须予以考虑。假定每抽取一次下降0.4厘米，第一次吸样时，吸样前沉降高度为20.2厘米。（吸管插入使液面上升0.2厘米高度），吸样后沉降高度为19.8厘米，其平均值为20.0厘米。同理第二次吸样时沉降平均高度为19.6厘米，依此类推。蒸干抽取液中的分散介质，称至恒重（准确到±0.1毫克）。

    ④数据处理  蒸残物中应扣除同时析出的六偏磷酸钠的重量，每次吸样中六偏磷酸钠的重量依下式计算：

              G¹=(V_p/V)×G

    式中  G¹―每次吸样中六偏磷酸钠的重量，克；

    V_p―吸管容积，毫升；

    V―沉降瓶满刻度时容积，毫升；

    G―六偏磷酸钠加入量，克。

    颗粒分布累积百分数P_n的计算（取三位有效数字）：

    P_n=(W_n/W_s)・(V/V_p)×100

     式中  W_n―小于极限斯托克斯直径d_n的组分（n）的重量（已扣除六偏磷酸钠加入量），克；

    W_s―样品加入量，克。

    以微米为横轴，小于极限斯托克斯直径的百分数为纵轴，将分析结果标入坐标内，通过各对应点作光滑曲线。

    同一样品作平行实验，相同极限斯托克斯直径的重量累积百分率相差不应大于4%。

    ⑵比重计法

    比重计法的精确度较低，最大误差达5%以上，但操作设备及步骤简单，时间迅速，适用于工厂控制生产之用。

    ⑶天平法

    采用天平法的仪器有很多种类，其主要优点是测量精确，可以用来分析含少量分散相的悬浮体（0.02%，甚至更少），在分析时颗粒的下沉过程不会改变，测定数据精确，操作简便。

    ⑷沉锤法（比重天平法）

    沉锤法测定十分迅速（整个仪器分析时间＜1分钟），精确度高，可大大减少操作步骤，但设备及仪器昂贵。

    粒度分析，特别是利用斯托克斯沉降定律进行粒度分析的方法很多，但最终必须利用上述公式计算。各种仪器须按说明书安装及操作。沉降液的先择很重要，不仅纯净度要求高而且除原料、坏釉料外，颜料、色釉及特种陶瓷应选择适当的沉降液（分散介质）进行分析。只有采用同一原理进行测试的仪器，其测量结果才有可比性。

    1．  陶瓷生产中粒度控制的一般范围（见表3）

    表3       陶瓷生产中粒度控制的一般范围