科学院 干法激光粒径分布 干法激光粒度分布

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干法测定的优点

物质在干燥分散状态下的粒度测定越来越多的被湿法或者液体分散方法取代。但是,用激光粒度仪的干法测定物质的粒度仍然有以下几个优点:

(1)如果物料是在干燥状态下加工合成,那么用干法测定其粒度比湿法更具有代表性;

(2)对于某些物料来说,干法是唯一选择,因为这些物料会溶解在常见的分散剂中或者分散后由于水合作用使颗粒大小发生了变化;

(3)一般来说,干法测定比湿法测定更快速,可以在短时间内测定更多的样品。对于获得粗略的或者多分散样品的可重现的结果特别有用。

但是,并不是每个样品都适合用干法测定。非常细(粒径非常小)或者有粘性的样品可能更适合于湿法测量,因为可能需要表面活性剂或者其他分散剂来实现样品完全和可重现的分散。由于干法的分散机制更具有破坏性,所以可能不适合极易破碎的样品。综上,尽管可以使用干法测定样品量非常少的样品,但通常使用湿法测定以获得更好的结果重现性。

方法获得可重复性结果的三要素

从任何种类的粒子表征系统获得可重复的结果取决于三个因素:

Ø 取样的代表性

Ø 合适的分散状态

Ø 适当的测量条件

每个因素的相对重要性取决于所测量的颗粒的大小。图1显示了与干法分散中细或粗颗粒的测量相关的相对风险因子。

图1:干法分散体系中粗颗粒和细颗粒的风险因子

因此,如果你正在测量非常细小的颗粒,那么分散压力将会对结果产生最大影响,因为它会影响样品的分散状态。但是如果你测定的是粗颗粒(粒径很大),最大可能的误差则来自于取样的代表性。

应该干法测定结果的关键参数

1、分散压力

粒度测量获得可重现的结果依赖于样品处于稳定的分散状态。颗粒分散的容易程度取决于颗粒尺寸,因为随着颗粒尺寸的减小,颗粒之间的相对粘附力增加。这就是为什么分散压力是细小粒径物质测定的首要风险因子的原因。

干燥状态下的样品使用由文氏管(注:也叫文丘里管,一种流体流量测定装置)驱动的压缩空气进行分散。对于每个文氏管而言,可用于分散样品的能量的量值取决于压缩空气的压力。干燥样品的分散状态通过进行压力滴定并将结果与充分分散的湿法测量结果进行比较来评估。压力滴定显示,通常随着压力增加,团聚体分散,粒度减小。另外,颗粒大小也会由于颗粒摩擦而降低,并且这两个过程可以叠加。将压力滴定的结果与良好分散的湿法测量进行比较,以确定团聚体分散时的压力,但原始状态的颗粒未被破坏。图2显示了奶粉的压力滴定结果。

图2:奶粉压力滴定,标准文氏管

干法测定的结果显示与良好分散的湿法测定结果最接近的一致性结果将提示适当的压力。如果干法测定的结果比湿法测定的结果更细小(粒径更小),则表明在该分散压力下,原始颗粒被破坏。图3显示了奶粉样品湿法测定的结果与在分散压力为0.5bar和3bar下干法测定结果的对比。与湿法测定结果相比,分散压力为0.5bar时测得的粒径更大,表明样品在0.5bar的分散压力下,分散不均匀。但是,分散压力为3bar时,测定结果与湿法测定结果有很好的相似性。因此,对于这种物质,将样品完全分散的分散压力为3bar。

图3:在0.5bar和3bar下分散干法测定结果于湿法测定结果的比较

图2所示的压力滴定是用Mastersizer 3000干法分散器Aero S提供的标准文氏管进行的。如图4所示,该文氏管利用了干法分散的两种可用机理:(a)由剪切力引起的速度梯度和(b)粒子-粒子之间的碰撞。

图4:干法分散的分散机理

对于大多数物料来说,这两种机制足以分散样品。然而,一些高度团聚和坚固的样品可能需要额外的更高的能量分散机制的粒子间壁碰撞,如图4(c)。由于标准文氏管适用于绝大多数样品,因此这将是开发干法测定的起点。但是,如果对于坚固的材料不能实现完全的分散,那么可能需要使用所有三种分散机构的Aero的高文氏管。

如果我们使用高文氏管里测量奶粉样品,那么我们会看到不同的压力滴定。由于较高的能量分散机制,样品在较低的压力下即可完全分散。图5显示使用高能文氏管在分散压力为1bar时的干法测定结果与湿法测定结果显示出良好的一致性。而在4bar时,干法测定的结果粒径较小,表明颗粒被破坏。

图5:用高能文氏管,分散压力1bar和4bar下干法测定结果与湿法测定结果的比较

图6显示了使用标准文氏管和高能文氏管测量的Dv50与压力的比较,其中将来自湿法结果的Dv50作为虚线添加以用于比较。这表明使用标准文氏管在3bar和4bar之间和使用高能文氏管在1bar时与湿法测量的结果相当。在这种情况下,建议使用标准文氏管,因为干法测量结果与更宽范围压力下的湿法分散结果相当,这提高了该方法的稳定性。

图6:与湿法测定相比,使用标准和高能文氏管的Dv50与压力的关系

振动进样速度

2、振动进样速度

进样速率通过振动样品盘来控制样品通过文氏管进入测量单元的速率。通过测量单元的样品量通过遮光度来记录(激光通过测量单元时损失的百分比)。必须设定振动进样速度,使大部分测量持续时间内的遮光度在合适的范围内,如图7所示。

Mastersizer 3000S软件中的遮光度筛选功能可以确保检测器扫描遮光度在目标范围之外的地方未包含在结果中。遮光度越高,检测器的扫描范围越大,在遮光度允许的范围内,结果就越具有代表性和可重复性。这是Mastersizer 3000s干法测量数据质量报告所检查的参数之一,当检测到不合适的遮光度时将显示警告。

图7:遮光度与时间的变化,对绿色的进样速率有很好的控制,对红色的控制不好。

合适的遮光度范围取决于样品量的大小和性质。为了使分散器的效率最大化,可能需要在较低的遮光度下测量粘性的细粒径的样品,而粒径较大的物料可以在较高的遮光度下进行测量。如果物料的粘性大且粒径较小,则应该缩小遮光度的上限以提高分散器的效率。

在Aero S分散装置上,可以通过调节样品盘和料斗的设置来优化进样的稳定性。对于流动性特别的物料,较低的料斗高度可防止物料过快流出样品盘。对于粘性物料,增加料斗高度可以改善流动性。篮子和滚珠也可以用来改善粘性物料的流动性。如果样品量非常少,可以不用料斗,微量或微量样品盘可能更适合。

3、样品量

如果你要测量的样品粒径较大,那么测量的样品数量以及如何获取代表性的样品是最大的误差来源。

要获得有代表性的结果,需要测量最小数量的粒子。例如,要使D90的标准误差达到5%以内,在分析过程中至少需要测量400个颗粒。因此,对于密度为1.5g/cm3和D90为500μm的物料,需要测量的样品量约0.5g才能使D90的标准误差达到5%。随着颗粒尺寸的增加,含有足够颗粒的质量增加,达到可重现结果所需的最小样品量也会增加。

图8:5%标准误差时粒径大小和最小样品量的函数关系

图8显示了达到5%标准误差所需的最小样品量与粒径的函数关系。您可以通过测量几个单独的样本并评估结果的可变性来测试样品量是否足够。

激光粒度仪测量的精密度以变异系数来评估。

(也就是相对标准偏差,RSD)

激光粒度仪ISO标准[1]建议,对于中间参数,例如D50,RSD应小于3%;分布极值(边缘)的参数,例如D10和D90,RSD应小于5%。Mastersizer 3000在其数据质量标签中有一个可变性检查,使您能够根据ISO标准中设定的限制来检查测量的可变性。

4、测量时间和耐用性

样品测量时间也会影响结果的可变性,因为它可以成为另一个进样步骤。当样品盘振动时,样品可能会分离。样品中较大的、流动性更好的颗粒可能会在更细的粘性较大的颗粒之前到达测量单元。因此,在用干法测量时,最重要的是要确保测量放在进样盘上的整个样品。在方法开发过程中,为了帮助优化参数(例如遮光范围),可以重复测量更短的持续时间,但是,一旦测量条件被设定为较长时间测量,并且具有足够的持续时间来测量样品盘上的所有样品,测量时间应该被设置。

获得可重现的结果所需的样品的质量取决于样品粒径的大小和分散性。含有较大颗粒或具有非常多分散性的样品将需要测量更多的样品量,因此需要更长的测量持续时间。

图9:粒径大的样品测量时间5s时,重复测量的粒度分布,显示较高的可变性

例如,图9显示了粒径约600μm的样品的测量时间5秒时的几个测量结果。相对标准偏差表现出相当高的变异性,这可以通过增加测量持续时间并由此改进样品的取样来改善。

对于更细的或单分散的样品,测量非常少量的样品,仍然可以获得有代表性的结果。图10显示了质量在50mg和5mg之间的婴儿奶粉样品的干法测量结果。图10中的表格包含所得到的相对标准偏差,根据ISO标准[1],这些RSD在激光粒度测量的预期可重复性内显示出良好的重现性。

图10:婴儿奶粉样品从50mg到5mg的粒度分布和变异性

总结

激光粒度仪干法测量获得重现性结果取决于三个主要因素:取样的代表性、使用合适的压力分散样品和设定适当的测量条件。每个因素的相对重要程度取决于测量样品的粒径。对于细颗粒来讲,获得可重现的分散状态是最重要的;而对于粒径大的颗粒来讲,确保测量所需要的足够的样品量将是最重要的因素。

本文绍了建立粒度干法测量方法的关键参数,通过本文,你将能够增加对所测量物质的了解,并提高粒度测定结果的准确性和可重复性。

参考文献

[1] ISO13320(2009)。粒度分析 - 激光衍射法,第1部分:总则

粒度分布测定方法开发策略——湿法


     广东省科学院工业分析检测中心是1988年通过省级计量认证的,被确认为法定的产品质量监督检验机构,被广东省质量技术监督局授权为“广东省质量监督有色金属产品检验站”。是主要从事金属材料、冶金产品、化工产品、再生资源质量检测、欧盟环保(RoHS)指令的有害物质检测、金属材料综合利用检测与咨询、评价以及分析测试技术研究的专业机构。

     广东省科学院工业分析检测中心是我国从事金属材料、冶金产品、化工产品、再生资源质量检测、欧盟环保(RoHS)指令的有害物质检测、金属材料综合利用检测与咨询、评价以及分析测试技术研究的专业机构。

   

    中心始建于1971 ,先后隶属于广州有色金属研究院、广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院),201512经广东省机构编制委员会批准成为广东省科学院属下的独立二级事业法人单位。

    1988 经原国家进出口商品检验局考核,认可为“钢材及有色金属商检实验室”,是我国第一批被认可的从事进出口商品检验的社会实验室。

    1988 通过国家和省级计量认证,被确认为法定的产品质量监督检验机构,授权为“中国有色金属工业华南产品质量监督检验中心”和“广东省质量监督有色金属产品检验站”。

    1989 经广东省科委批准为“广东省科技成果鉴定检验监督机构”。

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    1996 被中国方圆标志认证委员会确认为认证产品检验实验室。

    2006 12在广东省科技厅的支持下建立起“广东省金属材料综合利用检测与评价中心”。

    2008 由中国质量认证中心确认为认证产品检验实验室。

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    2012 被中国质量管理协会和全国用户委员会授予“全国用户满意服务”称号。多次被评为执行“商检法”和“质量法”的先进单位。

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    中心近十年来获得省部级科技进步奖20项。累计申请专利15件,其中授权发明专利5件、授权实用新型专利2件。承担国家、省级各类项目50余项,主持和参与国家、行业标准200余项,发表专著5部,发表论文300余篇。