“篩分"是一種歷史悠久的顆粒粒度分析技術，廣泛應用于建筑材料、制藥和增材制造等行業。盡管該方法行之有效，但通常勞動密集，且易受人為主觀操作、取樣偏差、篩網老化及堵塞等因素影響而產生誤差。此外，篩分法通常需要大量的樣品量，這會造成其在某些應用中可能受到限制。

激光衍射技術因其多方面的優勢成為篩分法一個有吸引力的替代方案。它是一項廣泛應用于多種行業的標準化技術，能夠快速測量且所需樣品量更少。激光衍射還能提供高度可重復和可再現的結果，使其成為許多行業從篩分技術轉型，進行常規粒度分析的方法。

然而，篩分法和激光衍射法在測量原理上的差異可能導致兩種技術測得的粒度分布有所不同。本文探討了這些差異的根源，并介紹了 Mastersizer 3000+ 軟件中支持篩分的規格轉換到激光衍射工作流程的功能。

基于篩分的粒度分布反應了樣品在不同篩網孔徑所定義的粒度區間內的質量分布。這些級別通常是對數間隔的，其數量受材料粒度范圍、ISO 標準（例如 ISO 2391、ISO 3310）或行業特定標準（例如 USP 786）的影響。對于球形顆粒，顆粒在篩網上保留或通過的篩網孔徑能夠準確代表其粒度。然而，對于非球形顆粒，它們通常是通過其最小或中間卡尺直徑穿過篩網，且該過程的可重復性往往取決于所使用的振篩方式與強度（例如，手動搖晃、機械篩分、濕法或干法篩分，見圖 1）。

圖 1：示意圖顯示不同體積的顆粒通過相同篩孔

激光衍射基于體積等效球原理，即假設顆粒與其等體積球體具有相同的光散射特性，因此本質上是一種體積加權技術。這構成了在對比篩分法與激光衍射法結果或進行方法轉換時需要面對的首要挑戰。篩分所測量的是顆粒得以通過篩網的某一維度，該維度并不等同于體積等效球直徑——除非被測顆粒為球體。

選取經相同標稱篩分粒度分級（如通過相同孔徑篩網獲得的級分） 的火山灰樣品，利用 Mastersizer 3000+ 進行分析，這些樣品在顆粒形狀上存在差異，可直觀展示篩分與激光衍射結果之間的不匹配（圖 2）。

圖 2：三種不同火山灰樣品相同篩分級分的基于體積的粒度分布

激光衍射粒度分布顯示，不同樣品的 Dv10 和 Dv90 數值存在顯著差異，盡管根據篩分結果，這些樣品所含顆粒的大小范圍相同（表 1）。

表1 不同材料相同篩分級分的 Mastersizer 3000+ 粒度分布百分位數

圖3: 顯示不同形狀顆粒的火山灰樣品分散圖像

Mazama 火山灰 – 細長顆粒和一些板塊狀顆粒

Campanian 火山灰 – 主要由板塊狀顆粒組成

Mount St Helens 火山灰 – 塊狀、更接近圓形的顆粒

這種差異與顆粒的形狀有關，這一點通過我們的 Mastersizer 3000(+) 在線動態成像附件 Hydro Insight 得到了證實。這些火山灰樣品的分散圖像（圖 3）結合 Hydro Insight 提供的定量形狀參數數據（圖 4）揭示了存在的顆粒形狀范圍，從扁平板塊（Campanian）到細長棒狀（Mazama）和塊狀顆粒（Mount St Helens）。

圖 4: Hydro Insight 定量形狀測量（例如，圓形度）可用于量化樣品之間的形狀差異。

上面展示的樣品是由火山噴發產生的物質，稱為“火山灰"。它由 <2 mm 的火山巖碎片組成，根據噴發強度和形成火山的類型，其尺寸和形狀可能有顯著差異。這種物質的尺寸和形狀是預測噴發后該物質在大氣中擴散模型的關鍵輸入參數，這一點很重要，因為火山灰對人類健康和基礎設施構成危害。

與許多行業一樣，之前一直使用篩分法來測量火山灰的尺寸。然而，研究人員發現，由于顆粒形狀的多樣性以及篩分含有高比例細顆粒（<50 μm）材料所面臨的實際挑戰，僅靠篩分數據通常無法提供對材料特性的充分了解。現在，激光衍射和動態成像等技術正被納入用于表征火山灰尺寸的工作中。

雖然激光衍射對火山學家來說是一個有吸引力的選擇，但與許多行業一樣，研究人員仍然需要能夠為超出激光衍射儀上限檢測尺寸范圍（>3.5 mm）的材料整合一些篩分法的數據。同樣，由于篩分仍然是一種廣泛使用的方法，研究人員也希望能夠在不同技術之間比較粒度數據。

Mastersizer 3000+ 軟件 Mastersizer Xplorer 具有多種軟件工具，支持用戶將激光衍射粒度分布與篩分法的結果進行比較，以及支持方法和規格轉換的功能。這些功能包括：

1. 結果擴展

2. 結果模擬

3. 自定義用戶尺寸

這些功能可在測量和 SOP 設置中找到（圖 5）。結果擴展選項使用粗篩數據（例如，>2 mm）擴展激光衍射結果。結果模擬通過調整篩分與激光衍射粒度分布之間因形狀差異引起的問題來支持方法轉換。

圖 5. 支持用戶轉換方法以及比較篩分與激光衍射結果的數據處理選項