粒径分布是颗粒材料科学中最核心的参数之一，它直接影响着从药品药效到涂料光泽度等众多产品的关键性能。本文将系统介绍粒径分布的概念、表示方法、测量技术及其在工业中的应用。

一、什么是粒径分布？

粒径分布 描述的是在一个多分散的颗粒样品中，不同尺寸的颗粒所占的比例关系。简单来说，它回答了“样品中各种大小的颗粒分别有多少？”这个问题。由于绝大多数工业样品中的颗粒都不是均匀一致的，因此了解其尺寸分布比只知道一个平均尺寸要重要得多。

PSD是一种统计概念，通常以图表（如曲线图）、直方图或数据表格的形式呈现。

二、粒径分布的表示类型

根据统计基准的不同，粒径分布可以分为几种类型，从不同角度揭示样品信息：

1. 数量分布：以颗粒的个数为基准。每个颗粒无论大小都计为1。这种分布对样品中含量极少的超大或超细颗粒非常敏感，但在激光衍射法等基于光散射的测量中不易直接获得。

   
   

2. 体积分布：以颗粒的体积为基准。这是激光衍射法最直接测得的分布类型。由于颗粒体积与直径的立方成正比（V ∝ d³），一个大的颗粒在体积分布中的权重远大于无数个小颗粒。因此，体积分布更能反映样品的主体构成。

   
   

3. 面积分布：以颗粒的表面积为基准。表面积在某些应用（如催化、溶解）中至关重要，因为它直接关系到与周围环境的接触面积。

   
   

重要提示：对于同一个样品，其数量分布、体积分布和面积分布的曲线形态会有显著差异。通常，体积分布会向大颗粒方向“偏移”。在报告和解读PSD数据时，明确说明分布类型是至关重要的。

三、为什么粒径分布如此重要？

PSD之所以关键，是因为它与材料的一系列物理和化学性质紧密相关：

• 流动性：均匀的颗粒（分布窄）通常比粗细不均的颗粒流动性更好，这对于粉末填充、压片等工艺至关重要。

  
  

• 溶解速率与反应活性：颗粒越小，比表面积越大，溶解或化学反应的速度越快。这在制药（药效释放）和化工领域尤为重要。

  
  

• 稳定性：在悬浮液（如油漆、果汁）中，PSD影响颗粒的沉降速度，从而决定产品的保质期和稳定性。

  
  

• 最终产品性能：影响陶瓷的烧结密度、涂料的遮盖力和光泽、金属粉末的3D打印质量等。

  
  

• 口感与质地：在食品工业中，PSD直接影响巧克力丝滑的口感或调味粉的溶解性。

  
  

四、如何测量粒径分布？

有多种技术可用于测量PSD，每种技术都有其适用的尺寸范围和原理。Bettersize Instruments 百特提供的解决方案覆盖了多种主流技术：

1. 激光衍射法

   
   

• 原理：颗粒群在激光束中会产生与自身尺寸成一定角度和强度的散射光。通过分析散射光强随角度的分布，利用米氏散射理论或弗朗霍夫衍射模型反算出样品的体积粒径分布。

  
  

• 代表仪器：Bettersizer S3 Plus Bettersizer ST, Bettersizer 2600系列。

  
  

• 特点：测量速度快、范围广（0.01μm至3500μm）、重复性好，是实验室最常用的粒度仪之一。

  
  

2. 动态图像分析法

   
   

• 原理：通过高速相机捕捉在流动状态下的颗粒图像，然后对每个颗粒的图像进行图像处理，直接测量其形貌参数（如粒径、长径比、圆形度）。

  
  

• 代表仪器：Bettersizer S3 Plus（集成图像系统）， BeVision系列。

  
  

• 特点：提供真实的颗粒形貌信息，适合分析非球形颗粒或需要同时获取粒度和形状信息的场景。

  
  

3. 动态光散射法

   
   

• 原理：通过测量纳米颗粒在液体中做布朗运动所导致激光散射光强度的随机涨落，来分析其扩散系数，进而通过斯托克斯-爱因斯坦方程计算出颗粒的流体动力学直径。

  
  

• 代表仪器：BeNano系列。

  
  

• 特点：主要用于亚微米及纳米颗粒（0.3nm至10μm）的粒径分析，尤其适用于胶体、蛋白质、脂质体等。

  
  

4. 静态光散射法

   
   

• 原理：与激光衍射法原理类似，常用于测量胶体或高分子溶液中颗粒的平均尺寸。

  
  

五、测量中的关键步骤：样品分散

无论使用湿法还是干法测量，确保颗粒被充分、均匀地分散是获得准确PSD数据的前提。 improper dispersion会导致颗粒团聚，使测量结果偏向大颗粒方向。

• 湿法分散：适用于大多数样品。通过选择合适的分散剂（液体介质）并辅以超声能量或机械搅拌，使团聚颗粒解聚。

  
  

• 干法分散：适用于怕潮、不溶于水或会发生反应的样品。利用压缩空气产生高速气流，通过颗粒间的碰撞和剪切力实现分散。

  
  

六、粒径分布数据的解读

典型的PSD报告会包含以下关键指标：

• D10, D50, D90：累积分布曲线上分别对应10%、50%、90%处的粒径值。D50也常被称为中值粒径，是样品平均水平的代表。D90-D10可以粗略反映分布的宽度。

  
  

• 跨度：用于描述分布的宽度，Span = (D90 - D10) / D50。跨度越大，分布越宽。

  
  

• 分布模型：数据可能符合某种数学模型，如正态分布、对数正态分布等。

  
  

总结

粒径分布是理解和控制颗粒材料性能的一把钥匙。通过选择合适的测量技术（如Bettersize提供的激光衍射、动态图像分析等）并确保样品正确分散，企业可以精确表征其产品，进而优化生产工艺，提升产品质量，最终在激烈的市场竞争中占据优势。

对于特定行业（如制药、电池、涂料等）的深入应用，可以联系技术支持获取更详细的案例。