426306 ceramic characterizationeng.sut.ac.th/ceramic/old/course_link/45.pdf · •...

29/07/52 particle size 1

426306 Ceramic Characterization

Part: Particle size Surface area

DensityPorosity

Asst. Prof. Dr. Sirirat T. Rattanachan


Particle size analysis

• Particle size analysis techniques and selection– Microscopy techniques

– Sieving techniques

– Sedimentation techniques

– Electrical sensing techniques

– Laser diffraction tech.

– Other tech.,etc

• Presentation of particle size data– Calculation of a mean particle size

– Particle size distribution function


Selecting a techniques

• Instrument cost

• Flexibility

• Size range capacity

• Sample preparation

• Analysis time


Particle size analysis techniques

M-L

M

< 5

< 1

100-0.2

100-0.02

Liq.

Liq.

Sedimentation

• Gravity

• Centrifuge

M508000-37AirSieving

S-L

S-L

< 1

< 1

400-0.2

20-0.002

Liq./Gas

Vacuum

Microscopy

• Optical

• Electron

S

S

S

< 5

< 5

< 1

1800-1

1-0.1

6-0.002

Liq./Gas

Liq.

Liq.

Light scattering

• Fraunhofer

• Mie

• Doppler

S-M< 1400-0.3Liq.Electrical sensing

Time Sample (g)Size (µm)MediumMethod


Particle size and size distibution

• Steps in size analysis Powder lot

Sampling

Wetting and dispersion (deagglomeration and form a stable suspension)

Measurement

Data collection

Interpretation


Powder sampling

• ��ก� ��ก� ก ��:– ��ก�� – ��ก� �� !� �" � ก� ก ��#��$%�� – ��&�� " � #�'�� !� � �� (��– )��ก� !$ �#�� !�

• ��ก� !$ �#�� – Segregation of the bulk– Statistical errors


Microscopy

• Optical microscopy– ใชสาํหรบัอนภุาคในชวง 150-1 µm

(ขยาย 100-1000 เทา)• TEM (transmission electron

microscopy)– ชวง 5-0.001 µm กําลังขยายถึง

100,000 เทา– Accuracy ± 5

• SEM (Scanning electron microscopy)– 20 nm to 1 mm– กําลังขยาย 20 ถึง 100,000 เทา


Particle Aspect ratio

• Aspect ratio > 1 � anisometric

Aspect ratio = longest dimension/ shortest dimension

The area shape factor ( ψA)The volume shape factor (ψV)ψA/ψV = index of angularity

a a

A = ψA a2 π = ψA = 6

V = ψV a3 π/6 = ψV = 1


Form and Proportions

Rod

Cube

Flake

Needle Prism


Particle size by microscopy using Feret, Martin and Projected area diameter

da dMdF

Projected area diameter(stable orientation)

252 µm

Martin diameter246 µm

Feret diameter312 µm


Error in microscopy techniques

• Inaccurate magnification

• Nonrandom arrangement

• Insufficient sampling

• Bias in the data

• Agglomeration


Particle size distribution curve


Sieve

• Wet or dry

• Opening greater than 37µm-> mesh size, aperture size

• Mesh size = number of openings per linear inch of mesh (tyler mesh)

• A set of sieves often follows a progression of sizes

http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1417

2


Sieve analysis

• เปอรเซน็ตของดินที่คางบนตะแกรง = (น้ําหนักดินที่คางบนตะแกรงนั้น / น้ําหนักดินทั้งหมด) x 100

• เปอรเซน็ตการคางสะสม = ผลบวกสะสมของเปอรเซน็ตของดินที่คางบนตะแกรงทีห่ยาบกวา

• เปอรเซน็ตของดนิที่ผานตะแกรง (% Finer) = 100 – เปอรเซ็นตคางสะสม

http://www.gerd.eng.ku.ac.th/Cai/Ch06/ch065_method.htm


Sedimentation Techniques

A spherical particle falling in a viscous liquid with a sufficiently, small velocity soon reaches a constant velocity called the “terminal velocity”

VaF Lup ηπ3=

( )gDDa

F LPdown −=6

3π

Equilibrium of forces during the settling of a particle in a Newtonian fluid with laminar flow:Laminar liquid flow � Reynolds number < 0.2

=

ηρva

Re

Link �� Re� http://en.wikipedia.org/wiki/Reynolds_number

Link Laminar flow: http://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50

laminar flow is a flow regime characterized by high momentum diffusion, low momentum convection, pressure and velocity independent from time.


Laminar flow

Link Laminar flow: http://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50


Stoke’s Law

For ceramic particles, the upper size limit = 50 µmStokes’ equation:

( )L

LP gav

ηρρ

18

2 −=

Link ��ก�� stoke’s law http://www.sa.ac.th/winyoo/Fluid/viscosity.htm

Time (t) for setting a height (H)

( )ga

Ht

LP

L

ρρη−

=2

18


��ก�� Stoke’s Law

• Particle ตองเปน true sphere, rigid and smooth

• Completely dispersed• Low concentration• ความเร็วการตกชาและไมมีผลตอ Brownian

motion• Electrical effect ระหวาง particle และของเหลว

มีผลนอยมาก


Sedimentation methods

• Accumulation method (ก��ก�� ! �)– �� #$� %�&ก��'��(��ก��#$� )*�ก�!ก��+��,�)*ก�� ) � )*+'� �� Andreasen pipette

• Incremental method (ก��ก��-(�)*,!'.��)– �� #$� )*�ก��ก�!&!/��,� +�'.��,�)*ก�� %�&��ก��01� ��2.��! �) � )*+'� �� Hydrometer, x-ray technique, Optical


Andreasen Pipette method

• เตรียมสารละลาย สารแขวนลอย• ทดสอบโดยใสสารแขวนลอยลงในกระบอก เติมน้ํา

กลั่นจนถึงขีด ปดจุก เขยา และตั้งทิ้งไวที่อุณหภูมิหอง

• ดูดเอาสารแขวนลอยออกมา 10 cc ใสขวดชั่งน้ําหนัก จนระดบัสารแขวนลอยที่เหลือ

• ดูดสารแขวนลอยนี้ตอไปที่เวลาตางๆ ใสในขวดชัง่แตละใบ และจดระดบัของสารแขวนลอยที่เหลือทุกครัง้

• อบสารแขวนลอยทุกขวดใหแหง แลวปลอยใหเย็นใน desiccator

• ชั่งน้าํหนักสารในขวดแตละใบ• การดูดสารตองทําชาๆ อยางสม่ําเสมอและไมให

กระบอกแกวสะเทือน


ก��ก��

เมื่อ d = ขนาดของอนุภาค (µm) η = ความหนืดของน้ํากลั่นหรือตัวกลางh = ระยะที่ตกในเวลา t (sec) หนวย mm ρP, ρL = ความหนาแนนของอนุภาคและตัวกลางตามลําดับ (g/cm3)

g = อัตราเรงเนื่องจากแรงโนมถวง (980 cm/s2)t = เวลา (sec)

Stoke’s law ใชกับวัสดุที่มี ถ.พ. เทากัน

( )gt

hxd

LP ρρη−

=2

103 3

100_%0

xw

wthanless t=

W0 = น.น.ของ solid ที่เวลา 0 นาทีWt = น.น.ของ solid ที่เวลา t นาที


Hydrometer

• ขนาดอนุภาค 44 ไมครอน ถึง 2 ไมครอน

• ASTM soil hydrometer: No. 151H อาน sp.gr. 1.000-1.038

• No. 152 H อานเปน g/l• วัดความเขมขนของอนุภาค โดยวัด

ที่ effective depth (L) (ระยะทางจาก hydrometer reading ถึงครึ่งหนึงของกระเปาะ) จากผิวของ suspension หลังจากเวลา T


Hydrometer reading


Calculation

D= ขนาดที่เทยีบเทาทรงกลมη= ความหนืดของของเหลว (poise) ที่อุณหภูมิที่ทดลองL = ระยะจากผิวของ suspension ถึงจุดทีว่ดั (cm) = effective deptht = เวลา (min)S = ถ.พ.ของของแข็งS0 = ถ.พ.ของของเหลว Hydrometer ใชวัดความเขมขนของ solid ที่ effective depth (L) จากผิวของ

suspension หลังจากเวลา t คา L/t แทนคาลงในสูตร สามารถคํานวณหา D ได

21

)(980

30

0

−=

t

Lx

SSD

η


�3*ก��)�,��

• วัดคาคงที่ของ hydrometer และกระบอกตวง– Vb โดยการแทนที่น้ํา– ความยาวกระเปาะ (h)– พื้นที่หนาตัดของกระบอกตวง (A) = V/L– ระยะจากยอดกระเปาะถึงขีด 1.035 และ 1.000 (L1)– ปริมาตรของ suspension (Vs)

• คํานวณ Effective depth (L)

−+=A

VhLL b5.01

เลือก L1 ที่ R = 1.035 และ 1.000Plot คา L กับ R ที่ R = 1.035 และ 1.000 ไดเสนตรง แลวใชกราฟนี้ในการหาคา L จาก R คาตางๆ

ดู clip การทดลอง � http://www.gerd.eng.ku.ac.th/Cai/Ch06/ch065_method.htm


Effective depth & hydrometer reading


ก�� 4 (�.�)

• คํานวณปริมาณตัวอยางที่ใช

P = ความเขมขนของ solid particle ที่ลอยเหนือ effective depth (L) หลังจากเวลาตก t = % finer than = 100% ที่ R 1.035

Vs = ปริมาตร suspensionW = น้ําหนักวัตถุดิบR= hydrometer readingตัวอยางการคํานวณ ถาเลือก R = 1.035 ให P = 100%, Vs = 1140 cc.

W= 66.5 กรัม หรือไดจากการทดลอง นําตัวอยางไปอบและชั่งน้ําหนัก

100)1(0

xRss

s

W

VP s −

−=

( )100)1035.1(

15.2

5.21140100 xxx

W−

−=


�3*ก��)�,��

• ��*&� suspension ��ก��)�,��

• �.�� .� hydrometer – �.�� .�)*��,��.��5

– ��#4�$6�� suspension �,��.�� .�)#ก ��(�

– R )*�.��7�� + 0.001 �� 60 ��)* (35-5µm)

• ��4�,!��&��– .� R )*��,��.��5 ��2�� .� L ��กก�� 4��+'�ก��< R �,! L

– 7�� .� L ��4�� D 7��


• ��ก .� R )*�.��7��)*��,��.��5 ��2 ��4�� % finer than

• �� .�� particle diameter ��*&�ก��<ก�� % finer than ��ก��< log-probability scale

cs

RD

D

Wthanfiner

−

=1

100_%


Light scattering

• ใชหลักการ scattering ของแสงจากแหลงกําเนิดคลื่นเดียว เพื่อตรวจหาขนาดและการกระจายของอนุภาค

• ขนาดของอนุภาคเล็ก ความเขมของ scattering light จะเกิดที่มุมสูงๆ มีทิศทางมุงไปสูทิศทางเดียวมาก

• ขอจํากัดเนื่องจาก ratio ของ particle size (D) ตอ wavelength ( λ) ของ incident light

D ≤ λ Rayleigh scattering theoryD ≈ λ Mie theoryD ≥ λ Fraunhofer diffraction theory


Laser diffraction

• particles passing through a laser beam will scatter light at an angle that is directly related to their size.

• As particle size decreases, the observed scattering angle increases logarithmically.

• Scattering intensity is also dependent on particle size, diminishing with particle volume.

• Large particles therefore scatter light at narrow angles with high intensity whereas small particles scatter at wider angles but with low intensity Small particle

Large particle


Laser particle size analyser

I I0


Fraunhofer and Mie theory

For small particles

For large particles


ก�� .� ��#$�

2

0

ln iiaNkI

I∑=

−

−=∑

0

ln_I

Iavolumeparticle i

K = constantNi = The number of particles of size ai


Error in sedimentation size analysis

• Particle interactions• The tendency of fine particles to be pulled along behind larger ones,

• Agglomeration �brownian motion• Incomplete dispersion)��ก� ��/��,��• Ultrasonic• Add deflocculant�� *& • 7�. ��2+'�ก��#$� )*�* ��.��.��ก��ก5• ��ก��#$� )*7�.+'.)��ก,� 2��*��ก��ก�).�ก�� ! ��4�01� equivalent spherical diameter


Electrical sensing zone techniques (The coulter counter)

• ��,!��#$� )*ก�!��&+� Electrolyte %�&ก�� ,��)*��#$� /.��'.�� ,>ก5 )*�* electrode �#.��&6.

• ��6,�!��ก�01�0��#$� (�60�.��#$� �*/,��&)

• ��!ก��#$� )*�*�� 1-100 µm ��.2��+'�� multiple orifices �! ��2��7��+�'.�� 0.5-400µm

• �3*�*(7�.��!ก��#$� )*�*��+ก,�� *&�ก��'.��0A� �,!��)��+��ก�ก��#��'.��0A�7��


The Coulter counter

• less than a minute as counting and sizing rates of up to 10,000 particles per second are possible.

• The accuracy of the size measurements can be better than 1%. • Aperture size typically ranges from 15 µm to 2000 µm. • Each aperture can be used to measure particles within a size range of 2%

to 60% of its nominal diameter. • Therefore, the overall particle size range of 0.4 µm to 1200 µm is possible.

The ability of the technology to analyze particles is limited to those particles that can be suitably suspended in an electrolyte solution. The upper limit therefore may be 500 µm for sand but only 75 µm for tungsten carbide particles.

• The selection of the most suitable aperture size is dependent upon the particles to be measured. If the sample to be measured is composed of particles largely within a 30:1 diameter size range, the most suitable aperture can be chosen.

• For example, a 30 µm aperture can measure particles from about 0.6 to 18 µm in diameter. A 140 µm aperture can measure particles from about 2.8 to 84 µm. If the particles to be measured cover a wider range than a single aperture can measure, two or more apertures have to be used and the test results can be overlapped to provide a complete particle size distribution.


The Coulter counter


X-ray line broadening

• วัดอนุภาคขนาดต่ํา 0.1µm ดีที่สุดประมาณ 20 nm• ความกวางของ diffraction peak ลดลง เมื่อขนาดของอนุภาคเพิ่มขึ้น • Crystal size วัด single crystals วิธีการวัดนี้ไดคาที่ถูกตองถา ผงเปน single crystals

θβλ

cos

CD =

D = ขนาดของอนุภาค หรือ ผลึก C = คาคงที่ = 0.9λ= ความยาวคลื่นของ x-raysβ= ความกวางของพีทที่ความสูงครึ่งหนึ่งθ= Bragg angle ของการหักเหβ2 = βm

2 - βs2

βm = ความกวางที่ความสูงครึ่งหนึ่งของสารตัวอยาง βs = ความกวางที่ความสูงครึ่งหนึ่งของสารมาตรฐานที่มีขนาด 1 µm


Presentation of particle size data

• For a spherical particle -> diameter = size

• For an irregularly shape -> equivalent to the diameter of a sphere having the same volume as the particle

• Data-> number, mass, volume fraction

• พิจารณาอนภุาคทัง้หมด N particles มีขนาด D1,D2,D3,..,DN สามารถคาํนวณ a mean size (X) และ standard deviation (S) ไดจากสมการ

• จํานวน n ของอนภุาคที่มีขนาด D ดังนี้ ให n1 มีขนาด D1, n2 มีขนาด D2,…., nN มีขนาด DN

∑=

=N

i

i

N

XX

1

2/1

1

2

))(

(∑=

−=

N

i

i

N

XXS


• Diffractograms of ball-milled (128 hours) silica after heat treatment at a rate of 15K/min. Bottom to top: before annealing, at ~240oC, at ~450oC, and at 1025oC. The grey curve displayed in the background is the diffractogram of coarse-grained quartz with its (100) and (101) reflections, for comparison.


Surface area

• Techniques for the determination based on the phenomenon of gas adsorption: physical and chemical

• Physical: กB�C)*�6�C��)*/��! bond ��& weak van derWaals

• Chemical: กB�C)*�6�C��)*/��!�ก� bond )�� *)*��>��)*/�• Specific surface area (S.S.A)= ��(�)*/��#$� �.� 1

��.�&�(��ก�� 1 ��.�&0��• The determination: )��7��%�&��0��กB�C)*�6�C��)*�#4�$6�

�)* �,! ��กB�C�.��5 -> BET: adsorption of a compound or dye from solution


•The Type I isotherm is typical of microporous solids and chemisorptionisotherms. •Type II is shown by finely divided non-porous solids. •Type III and type V are typical of vapor adsorption (i.e. water vapor on hydrophobic materials). •Type VI and V feature a hysteresis loop generated by the capillary condensation of the adsorbate in the mesopores of the solid. Finally, the rare type VI step-like isotherm is shown by nitrogen adsorbed on special carbon.


Adsorption isotherm: monolayer adsorbed gas

Chemical adsorption on surfaces

Langmuir’s analysis

Multilayer Physical adsorption

Capillary adsorption in pores

BET equationหา Vm ในกรณี multilayer adsorption 0.05 <P/Ps< 0.35

เมื่อ c คงที่ สามารถคํานวณ surface area ได


Adsorption equilibrium

bP

V

VV

V

m

a

m

a

=−1

coveragemonolayer on gas adsorped of Volume

P pressureat gas adsorped of volume

=

=

m

a

V

V

mma V

P

bVV

P+=

1


1938 � S.Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller � BET

islopeV

CVi

CV

Cslope

P

Pand

PPV

P

P

CV

C

CVP

PV

P

CV

CPP

CVPPV

PP

m

mm

ss

smms

s

m

s

msa

s

+=

=−

=

−

−+=

−>

=

=

−+=

−

1

1,intercept,

1

)1(

1between Plot

)2...(..........).........(11

)1(

1--

adsorption ofenergy torelatedconstant C

n)(adsorptio tureat tempera pressure vapor saturation

)1.........(..........)1)(/(1

)/1(

/


Specific surface area

s

MM

s

mol

M

smol

mmAM

AV

V

A

AV

M

AV

M

VS

M

V

gasmA

mol

MV

AVNS

aaS

a

35.4 gas NFor

)gcm( volumemonolayer V

(g) sample theof mass

)molcm (22,400 pressure and te temperatustandardat gas of mol 1 volume

)Nfor (16.2x10 molecule adsorbate of area

)10 x (6.023number sAvogadro' Nwhen

variable.becan area surface specific m, 1 than isless size particle if and

shape particleirregular the todueerror maybe area surface Specific

6

size, particlemean dense, spherical, ation,unagglomer that Suppose

2

3

M

3

2220-

123A

=∴

=

=

=

=

=

=

>−−=

−

µ

ρϕ

ϕ

ρ


Specific surface area by methylene blue adsorption

• ใชหา specific surface area ของ clays, bentonite และผงที่ไมดูดซับสีเขาไปในรูพรุน โดยการใช methylene blue (organic anion ดวย M.W = 320) จะถูกดูดซับบนผิวของอนุภาคดินโดยมีกลไกการแลกเปลี่ยน

• โดยการเติมสารละลาย methylene blue มาตราฐานลงใน dilute suspension of clay โดยวิธี titration ทีละนอย (1cc)

• อนุภาคของดินจะคอยดูดซับ methylene blue ทีละนอยจนถึงจุด end point (จุดที่ปรากฎสีน้ําเงินของ methylene blue แพรซึมออกมาเมื่อหยด suspension ลงบนกระดาษกรอง)

• จุด end point คือจุดที่สอดคลองกับน้ําหนักของ methylene blue molecule ที่ตองการเพื่อคลุมผิวดินเปน monolayer


Methylene blue index (MBI)

g.) per100valent (milliequiindex blue methylene MBI

A 130ion blue methylene adsorbedby occupied area A

826.71002.6130

Ax6.02x10 x MBI area surface Specific

weightsample W

blue methylene of ml V

blue methylene ofalent milliequiv E

100

sample.dry of g. 100per adsorbed blue methylene ofalent milliequiv MBI

2

22

2-

=

°=

==

=

=

=

=

=

=

−

gmMBIxxxMBIxS

W

ExVxMBI

426306 ceramic characterizationeng.sut.ac.th/ceramic/old/course_link/45.pdf · •...

Documents