激光粒度儀在涂料分析測(cè)試中的應(yīng)用

        在涂料制造技術(shù)中，使用的顏料、填料的粒度及粒度分布是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，它對(duì)涂料產(chǎn)品的性能有著非常重要的影響。大型儀器激光粒度儀可以有效地進(jìn)行粒度分析，并可以快速地給出測(cè)試結(jié)果，為涂料研制人員帶來了方便。激光粒度儀是一種部件精密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀器，在使用時(shí)，需要對(duì)條件參數(shù)進(jìn)行的設(shè)置，以便得到有效的測(cè)試結(jié)果。干分散法以壓縮空氣為分散劑對(duì)樣品進(jìn)行分散，適合于粉末狀樣品的測(cè)試；濕分散法以溶劑為分散劑，用超聲波進(jìn)行分散，再通過激光束照射產(chǎn)生散射信號(hào)，既可以對(duì)干粉進(jìn)行測(cè)試，也可以對(duì)乳濁液和懸浮液進(jìn)行測(cè)試。兩種測(cè)試方法需要根據(jù)樣品情況進(jìn)行選擇［1］。

　　1. 試驗(yàn)儀器

　　德國(guó)新帕泰克（Sympatec）公司制造HELOS/OASIS干濕二合一激光粒度分析儀，測(cè)試范圍為0.1～875μm，安裝3個(gè)鏡頭分別為：R1（0.1～35μm）；R3（0.5～175μm）；R5（0.5～875μm）。

　　2. 測(cè)試原理

　　激光粒度分析儀的工作原理是基于光的散射理論與衍射理論。當(dāng)光束投射到儀器的分散系統(tǒng)時(shí)，可以發(fā)生光的吸收、反射、散射、衍射。當(dāng)入射光的頻率與分子的固有頻率相同時(shí)，發(fā)生光的吸收；當(dāng)入射光的波長(zhǎng)小于分散粒子的尺寸時(shí)，則發(fā)生光的反射、衍射等；若入射光的波長(zhǎng)大于分散相粒子的尺寸時(shí)，發(fā)生光的散射。一般0.1μm以下的顆粒，衍射現(xiàn)象消失，主要發(fā)生散射現(xiàn)象；0.1～10μm的顆粒，也是以衍射光為主，顆粒會(huì)產(chǎn)生部分的折射和散射光；大于10μm的顆粒，散射和折射都消失，以衍射為主。根據(jù)夫瑯和夫衍射理論，對(duì)于10μm，0.1～10μm的顆粒，衍射角的大小與顆粒的大小有關(guān)，衍射光的強(qiáng)度與顆粒的數(shù)量有關(guān)，由此可以確定顆粒的尺寸及數(shù)量。對(duì)于0.1μm以下0.1～10μm的顆粒，根據(jù)米氏散射理論，既考慮光的衍射，同時(shí)也考慮光的散射和折射，根據(jù)顆粒的綜合折射系數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，從而求出顆粒的大小及尺寸［2］。

　　3. 粒度分析有關(guān)的幾個(gè)重要表征參數(shù)

　　X50：累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值，它是反映粉體粒度特性的一個(gè)重要指標(biāo)之一。X50又稱中位徑或中值粒徑。（X10，X90）：表示小于X10的顆粒占顆粒總數(shù)的10%，大于X90的顆粒占總體積的10%。兩個(gè)特征結(jié)合起來，表示樣品粒度分布的范圍。X（4，3）：表示體積平均粒徑，定義公式為：VMD=ΣniX4i/ΣniX3i，一般情況下，它的值與X50非常接近，但是如果粒度分布嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)，也會(huì)顯著不一致。X（3，2）：表示面積平均粒徑，定義公式為：SMD=ΣniX3i/ΣniX2i，它在理論上與比表面積成反比［3］。

　　注：圖中左邊坐標(biāo)為累積分布坐標(biāo)，右邊坐標(biāo)為強(qiáng)度分布坐標(biāo)。所有曲線圖坐標(biāo)相同。

圖1 Zn粉干分散法R1鏡頭測(cè)試圖

圖2 Zn粉干分散法R3鏡頭測(cè)試圖

圖3 Zn粉干分散法R5鏡頭測(cè)試圖

　　4. 試驗(yàn)部分

　　4.1 干分散法測(cè)定鋅（Zn）粉粒度及粒度分布

　　測(cè)定條件：振動(dòng)槽頻率70%；壓力0.4MPa；評(píng)估法：HRLD；測(cè)試時(shí)間：10s。選擇R1、R3、R5鏡頭分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1。

表1 Zn粉干分散法測(cè)試結(jié)果

　　4.2 濕分散法測(cè)定鋅（Zn）粉粒度及粒度分布

　　分散介質(zhì)：水；分散劑：六偏磷酸鈉；攪拌速

　　度：40%；超聲分散時(shí)間：30s。

表2 Zn粉濕分散法測(cè)試結(jié)果

圖4 Zn粉濕分散法R1鏡頭測(cè)試圖

圖5 Zn粉濕分散法R3鏡頭測(cè)試圖

圖6 Zn粉濕分散法R3鏡頭加入分散劑測(cè)試圖

　　5. 結(jié)果與討論

　　5.1 Zn粉測(cè)試結(jié)果的討論

　　從Zn粉的干分散法測(cè)試結(jié)果可以看出，不同鏡頭的測(cè)試結(jié)果有一些差異，雖然樣品顆粒都在位于鏡頭的同一區(qū)域內(nèi)測(cè)量，但是由于各個(gè)鏡頭分辨率不同，小鏡頭分辨率高，大鏡頭分辨率低，大鏡頭在測(cè)細(xì)小顆粒時(shí)很難測(cè)到細(xì)顆粒的衍射光，從而使分析結(jié)果產(chǎn)生誤差。如表1所示，R1的X50為4.89μm，R2的X50為4.91μm，R5的X50為4.10μm。由于R1鏡頭的測(cè)試范圍為0.1～35μm，R3鏡頭的測(cè)試范圍為0.5～175μm，R5鏡頭的測(cè)試范圍為0.5～875μm，而每個(gè)鏡頭的測(cè)試范圍又劃分成31通道，R1鏡頭*通道的分辨范圍為0.1～0.18μm；R3鏡頭*通道的分辨范圍為0.50～0.90μm；R5鏡頭*通道的分辨范圍為為0.50～4.50μm。

　　通常選擇合適的鏡頭要*通道的顆粒累積分布含量值在5%以下，而表1中給出的R5鏡頭的*通道的顆粒累積分布含量值高達(dá)55.61%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出5%的要求值，所以使用該鏡頭會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差，會(huì)使樣品的許多小顆粒漏檢，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏小的錯(cuò)誤數(shù)值。從表1還可以看出，累積分布含量為100%的通道組數(shù)，R1為2組，R3為8組，R5為20組，一般要求，合適的鏡頭也即合適的量程，樣品累積分布含量達(dá)到100%的通道組數(shù)要4組左右，通過分析可以看出，該Zn粉樣品使用R3鏡頭較為合適。從Zn粉濕分散法測(cè)試圖看，濕分散法測(cè)試結(jié)果比干分散法測(cè)試結(jié)果要大，這是使用不同的分散方法帶來的測(cè)試差異。同樣濕分散法測(cè)試時(shí)未加分散劑六偏磷酸鈉的測(cè)試結(jié)果比加入六偏磷酸鈉以后的測(cè)試結(jié)果也要偏大。

　　選擇干分散法測(cè)試還是使用濕分散法測(cè)試，需根據(jù)具體的樣品狀況來決定。干分散法測(cè)試，方便、快捷，不過干分散法的分散系統(tǒng)采用了空氣流來分散樣品顆粒，由于樣品的分子之間摩擦?xí)a(chǎn)生靜電力，就會(huì)使樣品顆粒團(tuán)聚，如果選擇的壓力偏低，就會(huì)造成樣品在分散管內(nèi)的分散不均，引起測(cè)試誤差，同時(shí)干分散法測(cè)試時(shí)樣品的消耗量也比較大。

　　與干分散法相比，濕分散法可以使用超聲波、合適的分散劑來分散樣品，方式靈活多樣，樣品的用量也較少，缺點(diǎn)就是分散介質(zhì)一定要找。再則，待測(cè)樣品的狀態(tài)也決定應(yīng)該選擇何種的測(cè)試方法，比如，有些易溶解的顏料顆粒就必須使用干分散法測(cè)試，而樹脂乳液就要使用濕分散法。很多樣品，必須要在分散介質(zhì)中加入分散劑，否則不能充分地進(jìn)行分散。在分散介質(zhì)中添加少量分散劑以后，會(huì)在樣品顆粒的表面吸附上分散劑的正離子或負(fù)離子，從而產(chǎn)生水合作用，使顆粒間互相排斥。當(dāng)排斥力大于顆粒間的范氏引力時(shí)，會(huì)使顆粒間保持良好的分散狀態(tài)［4］，所以，加入六偏磷酸鈉等表面活性劑后，粒子分散狀態(tài)良好，從而使測(cè)試結(jié)果比未加表面活性劑之前的測(cè)試結(jié)果降低。

　　5.2 測(cè)試方法的討論

　　5.2.1 干分散測(cè)試方法的討論

　　干分散法測(cè)試的步驟一般是先在儀器的軟件操作界面上設(shè)置好樣品的測(cè)試條件，然后啟動(dòng)背景測(cè)試按鈕，系統(tǒng)會(huì)在沒有添加樣品的情況下測(cè)試出儀器鏡頭的光學(xué)狀態(tài)以及管路的清潔狀況，然后給出背景值，通常的背景值不要高于5。如果測(cè)試背景的值比較大，可以使用棉球蘸酒精擦拭鏡頭或者通過啟動(dòng)排氣系統(tǒng)裝置清除掉管道內(nèi)殘留的污物顆粒，背景測(cè)試正常之后，就可以進(jìn)樣進(jìn)行測(cè)試。

　　干分散法測(cè)試是使用壓縮空氣對(duì)樣品進(jìn)行分散，要樣品顆粒不會(huì)破碎，又能分散良好，同時(shí)取的樣品量又有一定的代表性，所以對(duì)于干分散法測(cè)試條件的選擇要特別注意空氣的壓力、遮光率的大小等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)還要根據(jù)樣品的特性，設(shè)定好進(jìn)樣速率，振動(dòng)槽高度，測(cè)試的起始條件等。遮光率反映了每次測(cè)試時(shí)激光束中有多少的樣品，其值的大小不僅與樣品的形態(tài)、組成有關(guān)，并且還與樣品的多少成正比。所以測(cè)試所需樣品的取樣量的多少，需要根據(jù)遮光率數(shù)值的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，所需的量既要避免出現(xiàn)多元散射，又要避免信號(hào)不足。通常遮光度值控制在15%以下，*是在7%～10%。

圖7 氧化鐵紅測(cè)試圖

圖8 測(cè)試圖

　　在涂料中使用的鈦白、氧化鐵等密度比較大、粒徑又比較細(xì)的顏料粒子由于靜電力的作用，極易發(fā)生團(tuán)聚，一般需使用0.3MPa以上的壓力才能有效進(jìn)行樣品的分散，而低于0.3MPa的壓力，樣品就不能有效分散。紅色顏料氧化鐵使用0.1MPa的壓力，60%的速率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，分布圖上出現(xiàn)了雙峰，有一個(gè)高的尾峰，說明有的粒子團(tuán)聚在一起未能分散，如圖7所示。白色顏料鈦白，使用0.1MPa的壓力，60%的速率也會(huì)出現(xiàn)大顆粒聚集的現(xiàn)象，如圖8所示。所以對(duì)于不同的樣品由于密度、顆粒粗細(xì)情況都不一樣，所設(shè)定的分散壓力也不一樣。通常情況是在分散好的前提下，使用小的分散壓力，這樣既可以分散開樣品，又可以保護(hù)儀器的分散管，延長(zhǎng)分散管的壽命。

　　5.2.2 濕分散測(cè)試方法的討論

　　使用濕分散法測(cè)試，首先應(yīng)設(shè)定濕分散法為當(dāng)前測(cè)試方法，這時(shí)設(shè)備會(huì)自動(dòng)從干分散法切換到濕分散法。然后再設(shè)定濕分散法的試驗(yàn)條件，如蠕動(dòng)泵速，超聲速率、時(shí)間，攪拌速度等，然后啟動(dòng)開始按鈕，進(jìn)行背景測(cè)試。若背景很高的話，需要清洗鏡頭，沖洗管路等，背景值比較低，再加入樣品。控制加入的樣品量，使遮光率保持在一定范圍，遮光率范圍可選擇在5%～30%，以20%～30%為佳［5］。樣品測(cè)試后，軟件會(huì)以圖表形式給出結(jié)果。

　　濕分散法選擇分散介質(zhì)的條件一般是：①呈透明狀態(tài)，使激光可以通過；②與儀器的材料能夠配套使用，不會(huì)溶解或改變樣品的粒度；③對(duì)空氣泡或其他粒子是不相溶的。④能夠容易、穩(wěn)定地分散樣品顆粒。⑤其折射率與樣品顆粒相差很大。⑥有合適的黏度可以循環(huán)。一般測(cè)試使用水為分散介質(zhì)，在其中加入低泡沫的表面活性劑，以降低水的表面張力，也可視樣品及儀器情況選用乙醇、異丙醇、己烷或異辛烷等作為分散介質(zhì)［6］。

　　涂料中使用的顏料像鈦白、氧化鐵、碳酸鈣、高嶺土等，其折射率等一般為2.50、2.60、2.42、1.52、1.61等，而水的折射率約為1.33，通常在加入表面活性劑之后，可以作為這些樣品的分散介質(zhì)。合適的超聲時(shí)間和強(qiáng)度，能給被分散樣品合適的能量，利于被分散樣品顆粒相互分散開，形成穩(wěn)定、均勻的分散溶液。超聲的功率過大或時(shí)間過長(zhǎng)都容易導(dǎo)致樣品破裂，所以使用時(shí)要進(jìn)行超聲時(shí)間和功率遞增選擇試驗(yàn)，觀察后的粒度測(cè)試圖，圖中粒度分布平穩(wěn)不再減少時(shí)的時(shí)間和強(qiáng)度設(shè)定為后的數(shù)值。一般攪拌速率設(shè)定范圍為1%～100%，當(dāng)速率為100%時(shí)，功率為60W。乳液經(jīng)攪拌后容易帶入氣泡，引起誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響，如圖9所示，在尾部出現(xiàn)一突起的峰，即為攪拌后引入氣泡所致。所以乳液測(cè)試，攪拌速率不宜過高，以20%～50%為佳。

圖9 乳液粒徑測(cè)試圖

　　6. 結(jié)語

　　使用激光粒度儀可以測(cè)定顏填料、乳液、粉末涂料等的粒度及粒度分布，更可以方便地選擇干分散法測(cè)量或濕分散法測(cè)量。兩者都能客觀地反映樣品的粒度分布。不論選用濕分散法還是干分散法，為測(cè)試結(jié)果的性，從上面的討論可以知道，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

　　（1） 選用干分散法測(cè)試要選用合適的分散壓力，只有選擇的壓力大小能分散開加入的樣品顆粒，才能測(cè)出的樣品顆粒度分布，否則測(cè)試的結(jié)果僅為該樣品團(tuán)聚顆粒的粒度分布，也不能滿足樣品測(cè)試重復(fù)性的要求。

　　（2） 濕分散法測(cè)試分散介質(zhì)和分散劑的選擇至關(guān)重要，只有根據(jù)樣品的特點(diǎn)選擇好合適的分散介質(zhì)和分散劑才能獲得的樣品粒度分布。

　　（3） 測(cè)試的鏡頭不能被污染，鏡頭要保持清潔，這樣才能測(cè)試結(jié)果的。

　　（4） 遮光指數(shù)控制在合適的范圍內(nèi)。干分散法測(cè)試控制在7%～10%，濕分散法測(cè)試控制在20%～30%為*測(cè)試范圍。