激光粒度儀在涂料分析測試中的應用

        在涂料制造技術中，使用的顏料、填料的粒度及粒度分布是一項非常重要的指標，它對涂料產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行粒度分析，并可以快速地給出測試結果，為涂料研制人員帶來了方便。激光粒度儀是一種部件精密、結構復雜的儀器，在使用時，需要對條件參數進行的設置，以便得到有效的測試結果。干分散法以壓縮空氣為分散劑對樣品進行分散，適合于粉末狀樣品的測試；濕分散法以溶劑為分散劑，用超聲波進行分散，再通過激光束照射產生散射信號，既可以對干粉進行測試，也可以對乳濁液和懸浮液進行測試。兩種測試方法需要根據樣品情況進行選擇［1］。

　　1. 試驗儀器

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

　　2. 測試原理

　　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。當光束投射到儀器的分散系統時，可以發生光的吸收、反射、散射、衍射。當入射光的頻率與分子的固有頻率相同時，發生光的吸收；當入射光的波長小于分散粒子的尺寸時，則發生光的反射、衍射等；若入射光的波長大于分散相粒子的尺寸時，發生光的散射。一般0.1μm以下的顆粒，衍射現象消失，主要發生散射現象；0.1～10μm的顆粒，也是以衍射光為主，顆粒會產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。根據夫瑯和夫衍射理論，對于10μm，0.1～10μm的顆粒，衍射角的大小與顆粒的大小有關，衍射光的強度與顆粒的數量有關，由此可以確定顆粒的尺寸及數量。對于0.1μm以下0.1～10μm的顆粒，根據米氏散射理論，既考慮光的衍射，同時也考慮光的散射和折射，根據顆粒的綜合折射系數，進行計算，從而求出顆粒的大小及尺寸［2］。

　　3. 粒度分析有關的幾個重要表征參數

　　X50：累計分布百分數達到50%時所對應的粒徑值，它是反映粉體粒度特性的一個重要指標之一。X50又稱中位徑或中值粒徑。（X10，X90）：表示小于X10的顆粒占顆粒總數的10%，大于X90的顆粒占總體積的10%。兩個特征結合起來，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重不對稱時，也會顯著不一致。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：圖中左邊坐標為累積分布坐標，右邊坐標為強度分布坐標。所有曲線圖坐標相同。

圖1 Zn粉干分散法R1鏡頭測試圖

圖2 Zn粉干分散法R3鏡頭測試圖

圖3 Zn粉干分散法R5鏡頭測試圖

　　4. 試驗部分

　　4.1 干分散法測定鋅（Zn）粉粒度及粒度分布

　　測定條件：振動槽頻率70%；壓力0.4MPa；評估法：HRLD；測試時間：10s。選擇R1、R3、R5鏡頭分別進行測試，結果如表1。

表1 Zn粉干分散法測試結果

　　4.2 濕分散法測定鋅（Zn）粉粒度及粒度分布

　　分散介質：水；分散劑：六偏磷酸鈉；攪拌速

　　度：40%；超聲分散時間：30s。

表2 Zn粉濕分散法測試結果

圖4 Zn粉濕分散法R1鏡頭測試圖

圖5 Zn粉濕分散法R3鏡頭測試圖

圖6 Zn粉濕分散法R3鏡頭加入分散劑測試圖

　　5. 結果與討論

　　5.1 Zn粉測試結果的討論

　　從Zn粉的干分散法測試結果可以看出，不同鏡頭的測試結果有一些差異，雖然樣品顆粒都在位于鏡頭的同一區域內測量，但是由于各個鏡頭分辨率不同，小鏡頭分辨率高，大鏡頭分辨率低，大鏡頭在測細小顆粒時很難測到細顆粒的衍射光，從而使分析結果產生誤差。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鏡頭的測試范圍為0.1～35μm，R3鏡頭的測試范圍為0.5～175μm，R5鏡頭的測試范圍為0.5～875μm，而每個鏡頭的測試范圍又劃分成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55.61%，遠遠超出5%的要求值，所以使用該鏡頭會出現嚴重的偏差，會使樣品的許多小顆粒漏檢，測試結果出現偏小的錯誤數值。從表1還可以看出，累積分布含量為100%的通道組數，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到100%的通道組數要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粉濕分散法測試圖看，濕分散法測試結果比干分散法測試結果要大，這是使用不同的分散方法帶來的測試差異。同樣濕分散法測試時未加分散劑六偏磷酸鈉的測試結果比加入六偏磷酸鈉以后的測試結果也要偏大。

　　選擇干分散法測試還是使用濕分散法測試，需根據具體的樣品狀況來決定。干分散法測試，方便、快捷，不過干分散法的分散系統采用了空氣流來分散樣品顆粒，由于樣品的分子之間摩擦會產生靜電力，就會使樣品顆粒團聚，如果選擇的壓力偏低，就會造成樣品在分散管內的分散不均，引起測試誤差，同時干分散法測試時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，缺點就是分散介質一定要找。再則，待測樣品的狀態也決定應該選擇何種的測試方法，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，必須要在分散介質中加入分散劑，否則不能充分地進行分散。在分散介質中添加少量分散劑以后，會在樣品顆粒的表面吸附上分散劑的正離子或負離子，從而產生水合作用，使顆粒間互相排斥。當排斥力大于顆粒間的范氏引力時，會使顆粒間保持良好的分散狀態［4］，所以，加入六偏磷酸鈉等表面活性劑后，粒子分散狀態良好，從而使測試結果比未加表面活性劑之前的測試結果降低。

　　5.2 測試方法的討論

　　5.2.1 干分散測試方法的討論

　　干分散法測試的步驟一般是先在儀器的軟件操作界面上設置好樣品的測試條件，然后啟動背景測試按鈕，系統會在沒有添加樣品的情況下測試出儀器鏡頭的光學狀態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排氣系統裝置清除掉管道內殘留的污物顆粒，背景測試正常之后，就可以進樣進行測試。

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

圖7 氧化鐵紅測試圖

圖8 測試圖

　　在涂料中使用的鈦白、氧化鐵等密度比較大、粒徑又比較細的顏料粒子由于靜電力的作用，極易發生團聚，一般需使用0.3MPa以上的壓力才能有效進行樣品的分散，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%的速率進行測試時，分布圖上出現了雙峰，有一個高的尾峰，說明有的粒子團聚在一起未能分散，如圖7所示。白色顏料鈦白，使用0.1MPa的壓力，60%的速率也會出現大顆粒聚集的現象，如圖8所示。所以對于不同的樣品由于密度、顆粒粗細情況都不一樣，所設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，又可以保護儀器的分散管，延長分散管的壽命。

　　5.2.2 濕分散測試方法的討論

　　使用濕分散法測試，首先應設定濕分散法為當前測試方法，這時設備會自動從干分散法切換到濕分散法。然后再設定濕分散法的試驗條件，如蠕動泵速，超聲速率、時間，攪拌速度等，然后啟動開始按鈕，進行背景測試。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?？刂萍尤氲臉悠妨?，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］。樣品測試后，軟件會以圖表形式給出結果。

　　濕分散法選擇分散介質的條件一般是：①呈透明狀態，使激光可以通過；②與儀器的材料能夠配套使用，不會溶解或改變樣品的粒度；③對空氣泡或其他粒子是不相溶的。④能夠容易、穩定地分散樣品顆粒。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。一般測試使用水為分散介質，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［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。合適的超聲時間和強度，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，形成穩定、均勻的分散溶液。超聲的功率過大或時間過長都容易導致樣品破裂，所以使用時要進行超聲時間和功率遞增選擇試驗，觀察后的粒度測試圖，圖中粒度分布平穩不再減少時的時間和強度設定為后的數值。一般攪拌速率設定范圍為1%～100%，當速率為100%時，功率為60W。乳液經攪拌后容易帶入氣泡，引起誤差，對測量結果會產生影響，如圖9所示，在尾部出現一突起的峰，即為攪拌后引入氣泡所致。所以乳液測試，攪拌速率不宜過高，以20%～50%為佳。

圖9 乳液粒徑測試圖

　　6. 結語

　　使用激光粒度儀可以測定顏填料、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量或濕分散法測量。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，為測試結果的性，從上面的討論可以知道，應做到以下幾點：

　　（1） 選用干分散法測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，才能測出的樣品顆粒度分布，否則測試的結果僅為該樣品團聚顆粒的粒度分布，也不能滿足樣品測試重復性的要求。

　?。?） 濕分散法測試分散介質和分散劑的選擇至關重要，只有根據樣品的特點選擇好合適的分散介質和分散劑才能獲得的樣品粒度分布。

　?。?） 測試的鏡頭不能被污染，鏡頭要保持清潔，這樣才能測試結果的。

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