激光粒度儀在超細白炭黑粒度分析中的應用

 

摘要：利用MalvanNano—ZS90激光粒度分析儀對超細白炭黑粉體進行粒度測定研究，主要考察了分散劑的種類和質量濃度、樣品的分散時間和質量濃度、分散體系的穩(wěn)定時間，以及粉體材料的折射率和吸收率等因素。確定了超細白炭黑粉體粒度測試的最基本工作條件，即含固相質量濃度在0．05～1．O0s／L的水體系，加入0．1～0．3s／L十二烷基苯磺酸鈉、六偏磷酸鈉或羧甲基纖維素分散劑，用超聲波細胞粉碎機超聲6O0s。該檢測體系具有

好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

ZetasizerNano—ZS90執(zhí)行測量是用動態(tài)光散射(簡稱DLS)。動態(tài)光散射(也稱作Pcs——光子

相關光譜學)是利用布朗運動與粒子的大小相聯(lián)系(Stokes—Einstein方程)，用一束激光照射粒子并分析散射光的波動強度。該儀器DLS是由6個主要部分構成。激光器提供照射樣品池中樣品粒子的光源，激光束大部分一直通過樣品，但一部分被樣品中的粒子所散射。檢測器用來測量被散射光的強度，理論上一個粒子是任何方向散射光的，檢測器在任何位置可以檢測到散射光，ZetasizerNano—ZS90建立一個特殊的模型，檢測器光學系統(tǒng)放在90。位置。

散射光的強度必須處在一個特殊的范圍檢測器才能成功地檢測，如果檢測的光太強或太弱，檢測器將不能很好地工作。應用衰減器來減弱或加強散射光的強度以適合檢測器的檢測范圍。在Zetasizer測量技術中衰減器位置采取自動跟蹤。

檢測器檢測到的散射光強度信號通過一個相關器處理成數(shù)字信號。相關器在連續(xù)時間間距情況下進行散射光強度比較，并得出強度變化速率。相關器的信息再通過計算機，并使用專門

Zetasizer軟件分析數(shù)據(jù)并得出粒度的相關信息。該儀器用平均粒徑為60nm聚合物粒子(儀器

公司提供的標準)進行核對，正負誤差不超過5％。

2實驗儀器與材料

儀器：激光粒度儀(Nano—ZS90)，英國Malvan公司；超聲波細胞粉碎機(JY92—11型)，寧波新芝生物科技股份有限公司。原料：白炭黑粉體(表觀密度：0．0755g／cm，振實密度：0．102g／cm)；聚乙二醇(PEG一600)，上�；瘜W試劑站分裝廠；聚丙烯酸(陰離子型PAA一5000)，廣州市洞庭工貿有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDS)，中海石油化工有限公司；六偏磷酸鈉(NaP6O)、羧甲基纖維素(CMC)，威怡化工有限公司；氮氯十二烷基吡啶(陽離子型CPC)，北京化工廠。

3測量結果與討論

3．1樣品的分散時間對粒徑的影響絕大多數(shù)無機粉體在水和乙醇中有較好的分散性，但由于這些粉體表面活性高，經(jīng)常會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，粒度越小這種現(xiàn)象越嚴重，因此必需強制分散才能達到測試要求。配制含固質量濃度0．50g／L水體系(pH=6．5左右不另調)，采用超聲波細胞粉碎機

在功率650W下超聲不同的時間(采用超士4s停頓5s方式)。樣品的分散時間對樣品平均粒徑和衡量分散效果的光分散系數(shù)(PDI)的影響見圖2。從圖2可知，隨著超聲時間的增加PDI和粉體的平均粒徑快速減小，并逐漸處于一相對穩(wěn)定的值，可認為超聲時間大于500s基本達到分散要求。

3．2不同分散劑對樣品分散性的影響

雖然Malvan公司附帶有樣品分散指南，但對同一種類型的粉體，粒度不同或制備工藝有差別，都可能導致顆粒的表面狀態(tài)的不同，分散劑和分散介質的選擇會有一些差別。被測顆粒在懸浮液中布朗運動，入射光與懸浮粒子發(fā)生準彈性碰撞，使得散射光強度隨時間產(chǎn)生脈動，散射光強度隨時間的變化與顆粒的大小有直接關系，這就要求被測粉體在懸浮液中分散均勻、不團聚、不沉降。顆粒的分散性是粒度測試的重要環(huán)節(jié)。而分散劑分散效果可通過檢測

粉體在溶液體系中的Zeta電位來判斷。懸浮液穩(wěn)定與否通�？雌鋃eta電位是否在一30～+30mV。>+30mV或<一30mV電位的懸浮液通常認為是穩(wěn)定的。這是由于>+30mV或<一30mV的帶電膠粒產(chǎn)生靜電斥力要比粒子間的范德華引力大，以阻礙膠粒由于布朗運動而發(fā)生碰撞聚沉。配制含固質量濃度0．5g／L水體系，分別以對照(1)和加入SDS(2)，PEG一600(3)，CMC(4)，Na6P6O8(5)，PAA(6)，CPC(7)6種不同的分散劑和不同質量濃度(在20mL體系中加入質量分數(shù)為5％分散劑1滴和3滴，相當于0．1g／L和0．3g／L)，超聲600s，考察其分散效果，從圖4可知：Zeta電位>+30mV或<一30mV只有加入SDS(2)，CMC(4)，Na6P6O。8(5)和加入3滴的CPC(7)。從粒徑和PDI來看，體系是穩(wěn)定的；而加入PEG一600(3)和PAA(6)的Zeta電位是圖4不同分散劑體系的‘電位圖5不同分散劑體系的PDI

不穩(wěn)定的(一3O～+3OmV)，但從圖3、圖5可知，在測試時間(短時間)內也是相對穩(wěn)定的。而加1滴CPC(7)會產(chǎn)生聚沉，其Zeta電位、粒徑和PDI出現(xiàn)反�，F(xiàn)象�？紤]到測定時間如果較長，則最好選用激光粒度儀在超細白炭黑粒度分析中的應用57Zeta電位>+30mV或<一30mV的分散劑。活性劑分散原理可用DLVO理論來解釋。

3．3不同含固質量濃度的測定參數(shù)

同時也說明此測試體系穩(wěn)定性好。取不同含固質量濃度水體系，加入0．2g／LNaP0超聲600S，不同含固質量濃度的測定參數(shù)見表1。從表1可知，由于所用儀器采用衰減器

來減弱或增加散射光的強度以適合檢測器的檢測范圍，隨著含固質量濃度增加，衰減器數(shù)值減小，除高含固質量濃度(5．0g／L)外，平均粒徑(z)處在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，而PDI也相對較低，信號粒徑(z)、數(shù)量粒徑(z)、體積粒徑(z)誤差也不大。因此含固質量濃度在0．05～1．00g／L的測量體系是可行的。

3．4不同放置時間對體系穩(wěn)定情況的影響

配制含固質量濃度0．50 g／L水體系，超聲600s，試驗加分散劑與否體系的穩(wěn)定性，結果見圖6。加入0．2g／L六偏磷酸鈉顯然比不加分散劑的體系要穩(wěn)定得多，平均粒徑變化很小，PDI也相應較低；而未加分散劑體系的平均粒徑在快速變小，說明較大顆粒在快速沉降。

3．5重現(xiàn)性

取含固質量濃度0．50 g／L水體系，加入0．2g／LNaP0超聲600s，連續(xù)測定l5次，每次

測定前搖動一次，重現(xiàn)性結果見表2。從實驗結果看出，在該條件下對白炭黑粒徑的測定重現(xiàn)性非常好，相對標準偏差非常小，而其他粉體一般難以做表2重現(xiàn)性實驗結果標準偏差甏

3．6材料的吸光度對粒徑的影響

取含固質量濃度0．50 g／L水體系，加入0．2g／LNaP0超聲600S，改變材料的吸光度，

材料的吸光度對粒徑的影響見表3。材料的吸光度除對個別結果有稍大的影響外，對其他結果影響不大。在通常測定中只要根據(jù)懸浮液的透明度不同，選擇適當吸光度數(shù)值即可。

3．7材料的折射率對粒徑的影響

材料的折射率對已知形態(tài)來說可以查到，但對未知形態(tài)的材料就難以確定，不同條件下制備的粉體形態(tài)也不盡相同，組成不定，難以給出準確的數(shù)值。改變材料折射率偏差，試驗其對粒徑測定的影響，條件如3．6，結果見表4。

折射率的偏差在±20％以內，對平均粒徑影響不大，但對z，z和z有相應較大的影響。如果粉體的形態(tài)不確定，則折射率可在同種物質相近形態(tài)的已知折射率基礎上進行相應的調整，但與真實折

3結論

1)以水合肼副產(chǎn)堿渣為原料生產(chǎn)過碳酸鈉工藝可行，實驗證明是一個成功的方法。產(chǎn)品質量達到化工行業(yè)標準，合成收率達到85％以上。實驗的成功為尿素法水合肼副產(chǎn)堿渣找到了可行的利用渠道，工藝路線簡單，比用純堿法生產(chǎn)過碳酸鈉成本要低，不失為堿渣利用的好途徑。

2)確定了最佳工藝條件：n(Na2CO，)：n(H0)：1．0：(1．3～1．5)；工業(yè)鹽相對于堿渣加

入量為0．28kg／kg；反應溫度為0～10℃；反應時間為30～45min。

 

(無機鹽工業(yè)  周新木。曾慧慧等)