颗粒测试仪器行业分析报告

颗粒测试仪器行业分析 一、颗粒测试概述 所谓颗粒就是指细小的分散物体，它可以是固态、液态或气态。人们在日常生活、生产过程中都经常的而又不可避免的接触到颗，因此可以说颗粒与人类的关系是密切的，它对人类的生存发展起着重要的作用。随着生产力的提高、社会文明的进步，人们对颗粒的研究己经深入到能源、化工、材料、石油、电力、轻工、冶金、电子、气象、食品、医药、环境和航空等诸多领域。 颗粒测试技术的专业性较强，我们认为有必要对其核心技术指标及重要专业术语进行简单介绍，如粒度、粒度分布、粒径等。 粒度是指颗粒的大小，主要包括以下几个层次：纳米颗粒 （1-100nm）、超微粒或亚微米颗粒（0.1-1μm）、微粒（1-10μm）、细粒（10-100μm）、粗粒（0.1-1mm）及块状物（1mm以上）等。 图1  粒度表 资料来源：走进微纳2010 粒度分布是指用特定的仪器和反映出的不同粒径颗粒占粉体总量的百分数，有区间分布和累计分布两种形式。区间分布又称为微分分布或频率分布，它表示一系列粒径区间中颗粒的百分含量；累计分布也叫积分分布，它表示小于或大于某粒径颗粒的百分含量。 粒径就是颗粒直径，但只有圆球体才有直径，而颗粒包括各种不规则形状，如片状、针状、多棱状等，这些复杂形状的颗粒从理论上讲是不能直接用直径这个概念来表示它的大小的。而在实际工作中直径是描述一个颗粒大小的最直观、最简单的一个量，所以在粒度测试的实践中就引入了等效粒径这个概念。等效粒径是指当一个颗粒的某一物理特性与同质的球形颗粒相同或相近时，就用该球形颗粒的直径来代表这个实际颗粒的直径，那么这个球形颗粒的粒径就是该实际颗粒的等效粒径。 二、颗粒测试方法与测试仪器的发展及对比 根据被测粒子性质及测试目标的不同，颗粒的测试方法有很多种。据国外有关报告显示，用于测试颗粒的装置和仪器已多达200种以上，它们各有特点和适用范围。就目前得到应用的各种测试方法来说，按其基本工作原理可分为以下几大类：筛分法、沉降法、库尔特法、图像法、光散射法等。其中光散射法是目前应用最广泛、技术发展最快、最具优势的测试方法。 （一）筛分法 筛分法是用一定大小筛孔的筛子将被测颗粒分成两部分，即留在筛面上、粒径较大的不通过量（筛余量）和通过筛孔、粒径较小的通过量（筛过量）。实际操作中，通常按照被测颗粒粒径的大小和分布范围，选用5～6个不同大小筛孔的筛子叠放在一起，筛孔较大的在上面，筛孔较小的在下面。被测颗粒则从最上面的一个筛子加入，依次通过各个筛子后即可按颗粒粒径的大小被分成若干档。按操作方法经过规定的筛分时间后，称重并各个筛子上的筛余量，即可求得被测颗粒以重量计的颗粒粒径分布。 筛分法的优点是简单直观。但缺点较多，如动态测试范围较小，常用于大于40μm的颗粒测定；测试速度慢，一次只能测量一个筛余值，不足以反映粒度分布；微小筛孔制作困难；误差大，通常达到10%-20%；由于团聚作用，小颗粒通过筛孔较为困难；有人为误差，导致可信度下降等。 （二）沉降法与沉降仪 沉降法是根据颗粒在液体中最终沉降速度来确定颗粒粒径大小的，可以在重力场的作用下作自由沉降（重力沉降法），也可以在离心力的作用下沉降（离心力沉降法），被测试样可以在液柱的表面层加入（线始法），也可将试样均匀地分散在悬浮液体内各处向下沉降（均匀悬浮法）。实际操作时，都不是直接测量颗粒的最终沉降速度，而是测量某一个与最终沉降速度相关的其它物理量，如压力、密度、重量、浓度或光透过率等，从而求得颗粒的粒径分布。 用沉降法测定颗粒时，细粉的沉降速度很慢，测定需要很长时间；同时由于受环境温度的影响，超细颗粒的布朗运动以及再凝聚等原因，得不到高的测量精度；由于密度一致性差，不适用于混合物料；重力沉降仪适用于10微米以上的粉体，如果颗粒很需要离心沉降。沉降法是七、八十年代应用最多的粒度分析技术，相应的商用沉降仪也较多，如美国Micromesitics公司的SEDIGRAPH5100粒度仪、日本岛津科学制作所的SA-CPS粒度仪、日本清新公司的SKC-3000沉降粒度仪、及国内丹东仪表研究所研制的GXL-202型离心沉降式粒度分布仪等。 （三）库尔特法（电阻法）与库尔特颗粒计数器 颗粒的粒径可以由电阻的变化来表征和测量。电阻的变化是以电压脉冲输出的，每有一个颗粒经过，相应地输出一个电脉冲，脉冲的幅值对应颗粒的体积和粒径。因此，对所有测量到的脉冲计数并确定其幅值，即可得到被测试样中颗粒的数目和粒径大小。 库尔特法的优点与缺点都较为突出。其优点包括：分辨率高、测量速度快、重复性好、可以测定颗粒总数、等效概念明确、操作方便等。缺点包括：动态测试范围小、容易发生堵孔故障、对介质的电性能有严格要求等。库尔特颗粒计数器多用于生物医学上的血细胞计数。代表仪器有美国库尔特公司的MML-TISIZESⅡ粒度分析仪和单、双阈值颗粒自动计数分析仪等。 （四）图像法与图像分析仪 图像法是利用显微镜对颗粒进行成像，然后利用计算机图象处理技术实现颗粒粒度的测定。当颗粒粒径大于2μm时，采用光学显微镜进行成像；当粒径小于2μm时，采用电子显微镜获取颗粒的几何图象信息。 图像法的优点包括：除了粒度测量外还可以进行一般的形貌特征分析，直观、可靠；既可以直接测量粒度分布，也可以作为其他粒度测试仪器可靠性评判的参考仪器。缺点包括：操作比较繁琐、测量时间长（典型时间为30分钟）、易受人为因素影响、取样量小、代表性不强，只适合测量粒度分布范围较窄的样品。 颗粒图像分析仪由光学（电子）显微镜、CCD摄像机、图像捕捉卡与计算机组成。代表产品有德国IBAS-2000图象分析仪、济南微纳颗粒的Winner 100 动态图像分析仪等。 （五）光散射法与激光粒度仪 光散射法的原理是利用颗粒在液体中的布朗运动，当入射光照射时颗粒会散射出一定频率的散射光，这种散射光与颗粒的粒径有关，对散射光进行相关运算即可得出颗粒的粒度信息。 光散射法是目前应用最广泛的粒度测试方法，其优点包括：1.测量范围广，可以测量微米至纳米级的颗粒，这正是当今粒度测试涉及的主要区间；2.由于光的透射性，可以实现非接触测试，对被测样品的干扰很小，从而减小了测试的系统误差；3.光散射法中，光电转换元件的响应时间很短，可以实现快速测试；4.光散射法与计算机配合使用，易于实现测试过程的自动化；5.重复性好，平均粒径的典型精度可达1%以内；6.操作方便；7.光散射法可以同时反映颗粒的粒度和形状信息，可以全面表征颗粒的特性，方便开发集粒度、形状为一体的颗粒测试仪器。正是由于光散射法的诸多优点，加上电子计算机技术与激光技术本身的发展，使得这种方法日趋完善，并得到广泛应用，是颗粒测试仪器发展的主要方向。光散射法的主要缺点是分辨率较低，不宜测试粒度分布范围很窄的样品。 激光粒度仪集成了激光技术、现代光电技术、电子技术、精密机械与计算机技术等，是目前颗粒测试领域的主要仪器。激光粒度仪产品种类较多，代表产品包括美国BROOLHVEN公司的BI90超细粒度分析仪、美国库尔特公司的N4PLMS超细粒度分析仪、英国马尔文公司的SERIES4700C激光光散射粒度仪、AMTOSIZERⅡc型定角相关光谱系统等。国内主要厂家丹东百特仪器有限公司、珠海欧美克仪器有限公司以及本公司均以激光粒度仪系列产品为主。 图表2  颗粒测试方法对比： 测试方法 测试原理 测试范围（μm） 测试时间（min） 重复性 备 注 资料来源：中国颗粒学会 三、颗粒测试行业现状及趋势 （一）发展历程与现状 20世纪90年代中期以前，中国颗粒测试市场还主要以沉降仪为主，国内需求的激光粒度仪几乎全部依赖进口，当时进口激光粒度仪的平均价格要超过5万美元，而且存在供货、维修、零配件供应不及时等现象。面对这种局面，一些大学与研究机构纷纷开展激光粒度测试技术研究，政府部门也认识到激光粒度测试技术对未来粉体工业的巨大影响，积极扶持一批激光粒度仪的研究项目。因此，我国颗粒测试技术的发展呈现理论研究与科技成果产业化并进的局面。 中国对粒度测试技术的理论研究，主要分为四类：第一类是关于各种仪器（主要是进口仪器）的使用体会，主要出现在80年代，进入90年代后逐渐减少；第二类是跟踪性的，为仿造国外某种新型仪器而进行的铺垫性研究，而中国早期自主生产的各种现代粒度仪，几乎都是在仿造国外仪器的基础上发展起来的；第三类是为了提高仪器性能或探索新的粒度测试原理与技术而进行的创造性研究，这是中国在颗粒测试技术水平上追赶世界先进水平的基础；第四类是纯理论的探索。 20世纪90年代初期开始，一些有识之士以掌握的技术成果为基础创办企业，致力于颗粒测试研究成果的产业化，在济南、珠海、成都、丹东等地先后成立了自主生产颗粒测试仪器的企业。经过近20年的努力，中国已能生产各种原理的颗粒测试仪器，如沉降仪、库尔特颗粒计数器、颗粒图像分析仪、激光粒度仪等。其中激光粒度仪在技术上取得巨大进步，质量明显提高，逐渐取代其他颗粒测试仪器，成为粒度测试的主流产品，在目前国内销售的各种颗粒测试仪器中，激光粒度仪占70%以上。激光粒度仪的兴起主要有两个原因：一是得益于计算机技术的普及与应用；二是它具有其他颗粒测试仪器不具备的诸多优点，如测试速度快、动态测试范围宽、重复性与真实性好、自动化程度高、操作简便、应用范围广等。 除了少数特殊品种及纳米颗粒测试领域外，国产品牌的激光粒度仪已经能够满足绝大多数用户的颗粒测试需要，产品质量与性能稳步提高，而价格只有进口同类产品的1/5左右，销售量以年均20%左右的速度增长。中国颗粒学会副理事长胡荣泽表示，中国已成为全球最大的颗粒测试仪器市场，年销售量2000台以上，国产粒度仪的市场占有率已达到80%以上，并有部分产品实现出口。 （二）市场需求及展望 颗粒测试仪器应用领域广阔且极为分散，以粉体企业为主，所属行业包括矿业（非金属矿粉、金属矿粉）、冶金工业（金属粉、硬质合金、磨料、稀土）、建材（水泥、陶瓷、耐火材料）、化工（涂料、燃料、颜料、催化器、橡胶）、能源（煤粉、石油、电池用粉）、高校、研究所以及军工、药物、轻工、农业等。 图表3  中国颗粒测试仪器的需求结构 资料来源：中国颗粒学会 据中国颗粒学会统计，2001年以来中国粒度仪的需求量年均增长率达20%以上，2005年销售量增至1200台，2009年销售量已达2000台以上，销售收入超过1亿元。其中国产粒度仪在数量上占80%以上，进口品牌不足20%；在粒度仪类型上，激光粒度仪占70%以上，并称继续增长态势；颗粒图像分析仪、沉降仪、库尔特颗粒计数器等合计占比不足30%，并呈下降趋势。 随着颗粒测试技术的不断进步与粉体企业的需求增加，中国市场颗粒测试仪器拥有广阔的发展空间。同时，除中国与日本外，亚洲其他国家都没有生产颗粒测试仪器的公司，而中国颗粒测试仪器的价格仅为日本及欧美同类产品的1/5左右，因此国外市场也面临较大的发展机会。 在细分类别上，纳米颗粒测试技术有待成熟。目前我国微米、亚微米颗粒测试技术已经走向成熟，但纳米领域的研究很少。国外纳米激光粒度仪的测试范围下限已延伸至亚纳米级别，如美国贝克曼库尔特公司的DelsaNano S纳米激光粒度仪的测量范围为0.6nm～7000nm；此外，国外的纳米激光粒度仪已经向智能化的方向发展，并已有相关的产品问世，如德国新帕泰克的NANOPHOX纳米粒度仪能够根据被测颗粒的大小自动调节激光源的输出功率和样品池的位置，以得到最精确的测试结果。但是国内在该领域的研究还基本上停留在实验室阶段，如果取得突破，将为颗粒测试行业带来更广阔的发展空间。