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| 标准编号 | GB/T 19077-2024 (GB/T19077-2024) | | 中文名称 | 粒度分析 激光衍射法 | | 英文名称 | Particle size analysis - Laser diffraction methods | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | A28 | | 国际标准分类 | 19.120 | | 字数估计 | 53,546 | | 发布日期 | 2024-10-26 | | 实施日期 | 2025-05-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 19077-2016 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | GB/T 19077-2024: 粒度分析 激光衍射法
ICS 19.120
CCSA28
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 19077-2016
粒度分析 激光衍射法
(ISO 13320:2020,IDT)
2024-10-26发布
2025-05-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语、定义和符号 1
3.1 术语和定义 1
3.2 符号 5
4 原理 6
4.1 概述 6
4.2 理论 7
4.3 典型的仪器和光学布置 7
4.4 测量区域 9
4.5 应用和样品说明 9
4.6 离线测量 9
4.7 线内测量 10
4.8 线在测量 10
4.9 在线测量 10
4.10 散射和检测器 10
5 操作要求和操作程序 10
5.1 仪器放置 10
5.2 分散用气体 11
5.3 液体分散介质 11
5.4 样品检查、制备、分散与样品浓度 11
5.5 测量 12
5.6 分辨力和灵敏度 13
6 准确度、重复性和仪器的验证 14
6.1 通则 14
6.2 准确度 15
6.3 仪器重复性 15
6.4 方法重复性 15
6.5 中间精密度条件下的准确度 16
7 测试报告 16
7.1 通则 16
7.2 取样 17
7.3 分散 17
7.4 激光衍射粒度分布 17
7.5 分析者标识 17
附录A(资料性) 激光衍射的理论背景 18
附录B(资料性) 分散液体注意事项 32
附录C(资料性) 分散方法的建议 33
附录D(资料性) 仪器准备的建议 34
附录E(资料性) 误差来源与诊断 35
附录F(资料性) 折射率的建议 37
附录G(资料性) 激光衍射粒度分析的鲁棒性和耐用性 39
附录H (规范性) 有证标准样品、标准样品和对比参数 42
参考文献 45
前言
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
本文件代替GB/T 19077-2016《粒度分析 激光衍射法》,与GB/T 19077-2016相比,除结构调
整和编辑性改动外,主要技术变化如下:
---增加、更改和删除了部分术语和定义(见3.1,2016年版的3.1);
---增加、更改和删除了部分符号(见3.2,2016年版的3.2);
---增加了离线测量、在线测量、线内测量和线侧测量等应用描述(见第4章);
---增加了鲁棒性、灵敏度、分辨力等测量内容和要求(见第5章);
---增加了“准确度、重复性和仪器的验证”章节(见第6章);
---删除了对ISO 9276-4的引用(见2016年版的第7章);
---删除了规范性引用文件ISO 14488、ISO 14887(见2016年版的6.2.3.3);
---增加了测试报告中激光衍射粒度分布的信息要求(见7.4);
---增加了“有证标准样品、标准样品和对比参数”(见附录H)。
本文件等同采用ISO 13320:2020《粒度分析 激光衍射法》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会(SAC/TC168)提出并归口。
本文件起草单位:上海市计量测试技术研究院、中国计量科学研究院、雁栖湖基础制造技术研究院
(北京)有限公司、丹东百特仪器有限公司、珠海欧美克仪器有限公司、北京海岸鸿蒙标准物质技术有限
责任公司、广昌达新材料技术服务(深圳)股份有限公司、芯体素(杭州)科技发展有限公司。
本文件主要起草人:吴立敏、张文阁、侯长革、陈永康、刘俊杰、董青云、傅晓伟、范继来、窦晓亮、余道轲、
周南嘉。
本文件2003年首次发布为 GB/T 19077.1-2003,2008年第一次修订,2016年第二次修订为
GB/T 19077-2016,本次为第三次修订。
引 言
激光衍射技术发展至今,已成为粒度分析(PSDs)的主要方法。这项技术之所以成功,基于它可以
应用于多种颗粒系统。该项技术测量快速,可实现自动化,并有多种商用仪器可供选择。尽管如此,仪
器的正确使用和测量结果的合理解释仍需谨慎。
自从1999年首次发布ISO 13320-1以来,对不同材料的光散射理解和仪器的设计都已大幅进步。
这在测量极细颗粒的能力方面表现尤为显著。该方法在2009年进行了第一次修订,并被ISO 13320:
2009所替代,之后该方法得到了更广泛的应用。在近期应用中,不仅对测量准确度的确定提出了要
求,而且对准确度评估和仪器验证的必要性也提出了要求。本文件包含了最新的进展。
粒度分析 激光衍射法
1 范围
本文件规定了在多种两相体系中通过分析颗粒的光散射特性进行粒度分布测量的方法,以及测量
仪器验证的方法。这些颗粒包括粉末、喷雾、气溶胶、悬浮液、乳液和液体中的气泡等。本文件不涉及特
定材料颗粒粒度分布测量的具体要求。
本文件适用于粒径范围为0.1μm~3mm 的颗粒,采用一些特殊设计的仪器和一些辅助条件可使
粒度分析范围扩展至0.1μm 以下或3mm 以上。
该项技术在光学模型中假设颗粒为球形,因此对于球形和非球形颗粒,所报告的粒度分布都是根据
球形颗粒散射图案体积和的理论值与实测的散射图案值相匹配得到,对于非球形颗粒,粒度分布结果可
能与基于其他物理原理如沉降、筛分等方法测量得到的结果有所不同。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
注:GB/T 15445.1-2008 粒度分析结果的表述 第1部分:图形表征(ISO 9276-1:1998,IDT)
ISO 9276-2 粒度分析结果的表述 第2部分:由粒度分布计算平均粒径直径和各次矩(Repre-
注:GB/T 15445.2-2006 粒度分析结果的表述 第2部分:由粒度分布计算平均粒径直径和各次矩(ISO 9276-2:
2001,IDT)
3 术语、定义和符号
3.1 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1.1
吸收 absorption
非散射原因引起的光强减弱。
3.1.2
准确度 accuracy
测试结果或测量结果与真值间的一致性程度。
注1:在实际中,真值用接受参照值代替。
注2:术语“准确度”,当用于一组测试或测量结果时,由随机误差分量和系统误差分量即偏倚分量组成。
注3:准确度是正确度和精密度的组合。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.1]
3.1.3
长宽比 aspectratio
费雷特最短直径和最长直径之比。
注:不包含很细长的颗粒。
[来源:ISO 26824:2013,4.5]
3.1.4
采用计量学上有效程序测定的一种或多种规定特性的标准样品,并附有证书提供规定特性值及其
不确定度和计量溯源性的陈述。
注1:值的概念包括标称特性或定性属性,如身份或序列,该特性的不确定度可用概率或置信水平表示。
注2:标准样品生产和认定所采用的计量学上的有效程序已在ISO 17034和ISO Guide35中给出。
注3:ISO Guide31给出了证书内容的编写要求。
注4:ISO/IEC Guide99:2007的5.14有类似的定义。
[来源:GB/T 15000.3-2023,3.2]
3.1.5
np
颗粒的折射率,由实部和虚部(吸收)组成。
注1:颗粒的复折射率数学表达式为:
np=np-ikp
式中:
i ----1的平方根;
kp ---颗粒折射指数的正虚部(吸收);
np---颗粒折射率的正实部。
注2:与ISO 80000-7相比,本文件在折射率的虚部处增加了一个负号。
3.1.6
反卷积 deconvolution
< 激光衍射 >通过测定颗粒散射图案来推断颗粒群粒度分布的数学步骤。
3.1.7
衍射 diffraction
< 粒度分析 >在远距离(远场)观察到的颗粒轮廓周围的光散射。
3.1.8
< 激光衍射 >具有与被测颗粒相同散射图案的等效球直径。
注:球形颗粒的散射模型依据光学模型计算得到。
3.1.9
消光 extinction
< 粒度分析 >在介质中传播的光由于被吸收和散射而发生的衰减。
3.1.10
< 激光衍射 >中间精密度条件(3.1.11)下的准确度和精密度。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.15,有修改]
3.1.11
< 激光衍射 >按相同的测试方法,使用不同的激光衍射仪、由不同操作人员对同一测试/测量对象获
得独立测量/测量结果的条件。
注:条件包括时间、校准、人员和仪器4个要素。
3.1.12
多重散射 multiplescattering
多个颗粒的连续散射,散射图案不再是所有独立颗粒单独生成散射光的总和。
3.1.13
遮光率 obscuration
由于颗粒消光(散射和/或吸收)而衰减的入射光部分。
注1:遮光率可以用百分数或分数表示;
注2:以分数表示时,遮光率加上透光率(3.1.29)等于1。
[来源:ISO 8130-13:2019,3.1,有修改]
3.1.14
光学模型 opticalmodel
用于散射矩阵计算的理论模型,散射颗粒为光学均匀且各向同性的球体,如有需要还需提供颗粒复
折射率。
示例:夫琅禾费(Fraunhofer)衍射模型,米氏(Mie)散射模型。
3.1.15
精密度 precision
在规定条件下,所获得的独立测试/测量结果间的一致程度。
注1:精密度仅依赖于随机误差的分布,与真值或规定值无关。
注2:精密度的度量通常以表示“不精密”的术语表达,其值用测试结果或测量结果的标准差表示。标准差越大,精
密度越低。
注3:精密度的定度量严格依赖于所规定的条件,重复性条件和再现性条件为其中两种极端情况。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.4]
3.1.16
标准样品 referencematerial;RM
具有一种或多种规定特性足够均匀且稳定的材料,已被确定其符合测量过程的预期用途。
注1:标准样品是一个通用术语。
注2:特性可以是定量的或定性的(如物质或物种的身份)。
注3:用途可包括测量系统的校准,测量程序的评估,给其他材料赋值和质量控制。
注4:ISO/IEC Guide99:2007有类似的定义,但限定“测量”术语仅用于定量的值。然而,ISO/IEC Guide99:2007
的5.13的注3中明确包括定性特性,称作“标称特性”。
[来源:GB/T 15000.3-2023,3.1]
3.1.17
反射 reflection
< 粒度分析 >光波在颗粒表面发生的方向改变,其波长或频率无变化。
3.1.18
折射 refraction
入射光通过非光学均匀媒质或穿过不同媒质的分界面时,由于其传播速度的变化而导致光传播方
向变化的过程。
注:此过程遵守斯涅耳折射定律(Snel):
nmsinθm=npsinθp
有关符号定义见3.2。
3.1.19
mrel
颗粒复折射率与分散介质复折射率实部的比值。
注1:大多数应用中,分散介质是透明的,正因为此,其折射率虚部可忽略不计;
注2:相对折射率数学表达式为:
mrel=np/nm
式中:
nm ---介质折射率的实部:
np ---颗粒复折射率。
单散射定义见3.1.26。
[来源:ISO 24235:2007,3.3,有修改]
3.1.20
重复性 repeatability
重复性条件(3.1.21)下的精密度。
注:重复性可以用结果的离散特性定量表示。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.5]
3.1.21
为获得独立测试/测量结果,由同一操作员按相同的方法、使用相同的测试或测量设施、在短时间间
隔内对同一测试/测量对象进行测试/测量的条件。
注:可重复性条件包括:
---相同的测量过程或测试程序;
---同一个操作者;
---相同地点和相同条件下使用相同的测量或测试设备;
---在短时间内重复。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.6]
3.1.22
方法重复性 methodrepeatability
指定特性测量过程中,在短时间内,由同一位操作者、在相同的条件下、使用同一台仪器、对一个样
本的不同等分进行的多次测量,其测量结果的一致性程度。
注:可变性包括子样取样技术、取样材料和仪器的可变性。
3.1.23
散射 scattering
在两种具有不同光学性质的界面上发生的光传播的变化。
3.1.24
散射角 scatteringangle
散射光与入射光束主轴之间的夹角。
3.1.25
散射图案 scatteringpattern
光强的角分布图样I(θ)或空间分布图样I(r),其源于散射或由与探测元件的灵敏度和几何形状
有关的能量值。
3.1.26
单散射 singlescattering
一个颗粒群中的单个颗粒对总散射图案的贡献、与颗粒群中的其他个体无关的散射。
3.1.27
单次取样 singleshot
< 样品 >使用样品池中全部样品用于分析。
3.1.28
测试样品 testsample
完全用于特性表征的样品。
[来源:ISO 14488:2007,3.12]
3.1.29
透光率 transmission
< 粒度分析 >粒度分析过程中未被颗粒衰减的入射光部分。
注1:透光率可以用百分数或分数表示;
注2:用分数表示时遮光率(3.1.13)加透光率等于1。
3.1.30
真值 truevalue
在定性或定量测量中根据测量定义作为目标值的假定“真实值”。
注1:真值是一个理论值,通常无法精确知晓。
注2:术语“quantity”,参阅GB/T 3358.2-2009。
3.1.31
正确度 trueness
测试结果或测量结果期望与真值的一致程度。
注1:正确度的度量通常用偏倚表示。
注2:正确度有时被称为“均值的准确度”,但不推荐这种用法。
注3:在实际中,真值用接受参照值代替。
[来源:GB/T 3358.2-2009,3.3.3]
3.2 符号
下列符号适用于本文件。
Ai 第i个粒径段的消光效率;
C 颗粒浓度,体积分数;
CF 置信因子;
D 颗粒直径(也可用x表示);
D10,3 下累积分布等于10%时对应的颗粒直径(以体积计);
D50,3 下累积分布等于50%时对应的颗粒直径(以体积计);
D90,3 下累积分布等于90%时对应的颗粒直径(以体积计);
I(θ) 被颗粒散射的光强角度分布(散射图案);
Ih 给定角度的水平偏振光强;
I(r) 在探测器单元上接收到的被颗粒散射的光强空间分布(探测器测得的散射图案);
Iv 给定角度的垂直偏振光强;
J1 一阶贝塞尔函数;
k 介质中的波数:2πnm/λ;
ikp 颗粒折射率的虚数(吸收)部分;
la 散射体到探测器的距离;
lb 含有颗粒的照射光程;
Ln 光束流向量(i1,i2,,in);
M 散射矩阵,包含在所有粒度分级中根据单位体积颗粒计算得到的探测器信号;
mrel 颗粒与介质的相对复折射率;
nm 介质折射率的实部;
np 颗粒折射率的实部;
np 颗粒的复折射率;
O 遮光率(遮光率=1-透光率,用百分比表示),仅对单散射成立;
r 从焦平面上的焦点起算的径向距离;
up 指定参数和数值的标准不确定度;
ucrm 有证标准样品标准值的标准不确定度;
uhouse 内部参考标准样品的标准不确定度;
Ucrm 有证标准样品标准值的扩展不确定度;
Uhouse 内部参考样品的扩展标准不确定度;
Ulim 经计算的扩展不确定度限值;
Vi 粒径段i中的体积含量;
v 在干法分散介质中颗粒的速度;
x 颗粒直径(也可用D 表示);
xi 粒径段i的几何平均径;
x10,3 下累积分布等于10%时对应的颗粒直径(以体积计);
x50,3 下累积分布等于50%时对应的颗粒直径(以体积计);
x90,3 下累积分布等于90%时对应的颗粒直径(以体积计);
x1,3 体积加权平均直径;
α 无量纲的尺寸参数,πxnm/λ;
ΔQ3,i 粒径段i范围内的体积分数;
θ 前向散射角;
θm 介质中的光束相对于界面法线的角度(见3.1.18);
θp 颗粒中的光束相对于界面法线的角度(见3.1.18);
λ 真空中光源的波长;
σ 标准偏差;
ω 角频率。
4 原理
4.1 概述
用于确定粒度分布(PSD)的激光衍射或散射技术1)是基于颗粒散射光强度的角分布(散射图样)与
1) 早期仪器的计算机容量非常有限,只能使用夫琅禾费激光衍射理论。通常情况下要反复使用粒度分布模型来拟合散射数据。
激光衍射一词迅速成为该方法的主要描述词。尽管该技术已经发展到可以使用不同的光源、更复杂的光学理论和数据分
析,但激光衍射这一说法仍在使用。
颗粒粒径相关这一现象发展而来。当散射来自颗粒群或颗粒集合体时,任何给定粒度等级的散射强度
都与该粒度等级中存在的颗粒数量及其光学特性有关。
将适当浓度的测试样品分散在合适的液体或气体中,使其通过单色光束(通常是激光),颗粒在不同
角度的散射光由光电探测器阵列测量。每个探测器的数值都会被记录下来,以便进行后续分析。在一
定测试条件内,如测量区域的颗粒浓度,一组颗粒的散射图案与所有单个颗粒散射图案总和相同。用给
定粒径段中的单位体积颗粒的理论散射图案构建矩阵,用数学方法进行反演算,计算出体积粒度分布
(PSD),通过迭代使其与测量的散射图案达到最佳拟合。
4.2 理论
单个球形均匀颗粒的理论散射图案通常由米氏理论给出。如果粒径相对较大(就粒径而言α=
π×nm/λ >10)且不透明,夫琅禾费衍射理论仅适用于这些小角度正向散射,夫琅禾费衍射理论近似是
一种不需要材料光学性质的分析方法。
米氏理论的数值实现还有其他一些理论近似,通常称为光学模型。选择合适的光学模型非常重
要,用于解决反演算问题以得出合适的粒度分布。
激光衍射记录了颗粒的散射图案,使用适当的光学模型和数据反演算程序,可以将该复合图案转换
为与球形颗粒复合散射图案相匹配的粒度分布,因此它提供的是激光衍射等效球粒度分布。如果测试
样品为非球形颗粒,使用相同程序获得粒度分布,此时的非球形颗粒的粒度分布可能与其他测量技术得
到的粒度分布结果有所不同。理论细节见附录A。
4.3 典型的仪器和光学布置
该系统由单色光源、进样系统、光学系统、光信号探测器和控制计算机组成。为了扩展粒径及其分
析的适用范围,可以使用多种光源、并附加相关光信号探测系统和光学系统。
光源通常为激光光源或其他窄波长光源,以产生单色光束。随后是一个光束处理单元,该单元产生
一个扩展且近乎于理想的高斯分布光束,光束穿过光学系统的测量区域。
计算机用于控制测量过程、存储和处理数据,以及处理检测信号数据到粒度分布的反演算,并提供
自动化的仪器操作。
图1~图4给出了激光衍射/散射仪器的典型结构示意图。
标引序号说明:
1---光源组件(一个或多个光源),包括光束扩展器和准直器;
2---测量区域(详见图2);
3---前向散射多元探测器(含遮光/透射探测器);
4---广角散射探测器;
5---后向散射探测器;
6---傅里叶镜头。
图1 傅里叶光学设置
标引序号说明:
1---前向散射多元探测器(含遮光/透射探测器); 6---入射光束;
2---傅里叶镜头; 7---散射光;
3---分散的颗粒群; r---多元素探测器半径;
4---测量区域内的工作距离; θ---散射角度。
5---焦距;
图2 傅里叶光学设置---散射角
标引序号说明:
1---光源组件(一个或多个光源),包括光束扩展器和准直器;
2---测量区(详见图4);
3---前向散射多元探测器(含遮光/透射探测器);
4---广角散射探测器;
5---后向散射探测器;
6---反傅里叶镜头。
图3 反傅里叶光学设置
标引序号说明:
1---前向散射多元探测器(含遮光/透射探测器); 5---入射光;
2---用于分散颗粒流动的比色皿; 6---散射光;
3---颗粒; r---多元素探测器半径;
4---焦距; θ---散射角度。
图4 反傅里叶光学设置---散射角
4.4 测量区域
两个可能的测量区域的位置如图2和图4所示。傅里叶光学布局在一定限度内允许颗粒沿激光轴
在宽范围的位置穿过光束。相比之下,如果要避免粒径测量误差,反傅里叶光学布局中颗粒应被限制在
激光轴较短距离内,测量区应位于低角度探测器的定义距离处。
根据需要将分散的颗粒测试样本以足够的浓度引入测量区域。散射理论表明,如果颗粒样品浓度
足够......
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