激光粒度儀在超細(xì)白炭黑粒度分析中的應(yīng)用

 

摘要：利用MalvanNano—ZS90激光粒度分析儀對(duì)超細(xì)白炭黑粉體進(jìn)行粒度測(cè)定研究，主要考察了分散劑的種類和質(zhì)量濃度、樣品的分散時(shí)間和質(zhì)量濃度、分散體系的穩(wěn)定時(shí)間，以及粉體材料的折射率和吸收率等因素。確定了超細(xì)白炭黑粉體粒度測(cè)試的最基本工作條件，即含固相質(zhì)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(xì)胞粉碎機(jī)超聲6O0s。該檢測(cè)體系具有

好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

ZetasizerNano—ZS90執(zhí)行測(cè)量是用動(dòng)態(tài)光散射(簡(jiǎn)稱DLS)。動(dòng)態(tài)光散射(也稱作Pcs——光子

相關(guān)光譜學(xué))是利用布朗運(yùn)動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。該儀器DLS是由6個(gè)主要部分構(gòu)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(guò)樣品，但一部分被樣品中的粒子所散射。檢測(cè)器用來(lái)測(cè)量被散射光的強(qiáng)度，理論上一個(gè)粒子是任何方向散射光的，檢測(cè)器在任何位置可以檢測(cè)到散射光，ZetasizerNano—ZS90建立一個(gè)特殊的模型，檢測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)放在90。位置。

散射光的強(qiáng)度必須處在一個(gè)特殊的范圍檢測(cè)器才能成功地檢測(cè)，如果檢測(cè)的光太強(qiáng)或太弱，檢測(cè)器將不能很好地工作。應(yīng)用衰減器來(lái)減弱或加強(qiáng)散射光的強(qiáng)度以適合檢測(cè)器的檢測(cè)范圍。在Zetasizer測(cè)量技術(shù)中衰減器位置采取自動(dòng)跟蹤。

檢測(cè)器檢測(cè)到的散射光強(qiáng)度信號(hào)通過(guò)一個(gè)相關(guān)器處理成數(shù)字信號(hào)。相關(guān)器在連續(xù)時(shí)間間距情況下進(jìn)行散射光強(qiáng)度比較，并得出強(qiáng)度變化速率。相關(guān)器的信息再通過(guò)計(jì)算機(jī)，并使用專門

Zetasizer軟件分析數(shù)據(jù)并得出粒度的相關(guān)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(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行核對(duì)，正負(fù)誤差不超過(guò)5％。

2實(shí)驗(yàn)儀器與材料

儀器：激光粒度儀(Nano—ZS90)，英國(guó)Malvan公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(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(shí)密度：0．102g／cm)；聚乙二醇(PEG一600)，上海化學(xué)試劑站分裝廠；聚丙烯酸(陰離子型PAA一5000)，廣州市洞庭工貿(mào)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(yáng)離子型CPC)，北京化工廠。

3測(cè)量結(jié)果與討論

3．1樣品的分散時(shí)間對(duì)粒徑的影響絕大多數(shù)無(wú)機(jī)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(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，粒度越小這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此必需強(qiáng)制分散才能達(dá)到測(cè)試要求。配制含固質(zhì)量濃度0．50g／L水體系(pH=6．5左右不另調(diào))，采用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)

在功率650W下超聲不同的時(shí)間(采用超士4s停頓5s方式)。樣品的分散時(shí)間對(duì)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(jiàn)圖2。從圖2可知，隨著超聲時(shí)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(duì)穩(wěn)定的值，可認(rèn)為超聲時(shí)間大于500s基本達(dá)到分散要求。

3．2不同分散劑對(duì)樣品分散性的影響

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

粉體在溶液體系中的Zeta電位來(lái)判斷。懸浮液穩(wěn)定與否通常看其Zeta電位是否在一30～+30mV。>+30mV或<一30mV電位的懸浮液通常認(rèn)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(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞聚沉。配制含固質(zhì)量濃度0．5g／L水體系，分別以對(duì)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(zhì)量濃度(在20mL體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％分散劑1滴和3滴，相當(dāng)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(lái)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(cè)試時(shí)間(短時(shí)間)內(nèi)也是相對(duì)穩(wěn)定的。而加1滴CPC(7)會(huì)產(chǎn)生聚沉，其Zeta電位、粒徑和PDI出現(xiàn)反�，F(xiàn)象�？紤]到測(cè)定時(shí)間如果較長(zhǎng)，則最好選用激光粒度儀在超細(xì)白炭黑粒度分析中的應(yīng)用57Zeta電位>+30mV或<一30mV的分散劑�；钚詣┓稚⒃�理可用DLVO理論來(lái)解釋。

3．3不同含固質(zhì)量濃度的測(cè)定參數(shù)

同時(shí)也說(shuō)明此測(cè)試體系穩(wěn)定性好。取不同含固質(zhì)量濃度水體系，加入0．2g／LNaP0超聲600S，不同含固質(zhì)量濃度的測(cè)定參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可知，由于所用儀器采用衰減器

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

3．4不同放置時(shí)間對(duì)體系穩(wěn)定情況的影響

配制含固質(zhì)量濃度0．50 g／L水體系，超聲600s，試驗(yàn)加分散劑與否體系的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)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(yīng)較低；而未加分散劑體系的平均粒徑在快速變小，說(shuō)明較大顆粒在快速沉降。

3．5重現(xiàn)性

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

測(cè)定前搖動(dòng)一次，重現(xiàn)性結(jié)果見(jiàn)表2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，在該條件下對(duì)白炭黑粒徑的測(cè)定重現(xiàn)性非常好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差非常小，而其他粉體一般難以做表2重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差甏

3．6材料的吸光度對(duì)粒徑的影響

取含固質(zhì)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(duì)粒徑的影響見(jiàn)表3。材料的吸光度除對(duì)個(gè)別結(jié)果有稍大的影響外，對(duì)其他結(jié)果影響不大。在通常測(cè)定中只要根據(jù)懸浮液的透明度不同，選擇適當(dāng)吸光度數(shù)值即可。

3．7材料的折射率對(duì)粒徑的影響

材料的折射率對(duì)已知形態(tài)來(lái)說(shuō)可以查到，但對(duì)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(zhǔn)確的數(shù)值。改變材料折射率偏差，試驗(yàn)其對(duì)粒徑測(cè)定的影響，條件如3．6，結(jié)果見(jiàn)表4。

折射率的偏差在±20％以內(nèi)，對(duì)平均粒徑影響不大，但對(duì)z，z和z有相應(yīng)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(zhì)相近形態(tài)的已知折射率基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但與真實(shí)折

3結(jié)論

1)以水合肼副產(chǎn)堿渣為原料生產(chǎn)過(guò)碳酸鈉工藝可行，實(shí)驗(yàn)證明是一個(gè)成功的方法。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，合成收率達(dá)到85％以上。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單，比用純堿法生產(chǎn)過(guò)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(duì)于堿渣加

入量為0．28kg／kg；反應(yīng)溫度為0～10℃；反應(yīng)時(shí)間為30～45min。

 

(無(wú)機(jī)鹽工業(yè)  周新木。曾慧慧等)