干法測定的優(yōu)點(diǎn)

物質(zhì)在干燥分散狀態(tài)下的粒度測定越來越多的被濕法或者液體分散方法取代。但是，用激光粒度儀的干法測定物質(zhì)的粒度仍然有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）如果物料是在干燥狀態(tài)下加工合成，那么用干法測定其粒度比濕法更具有代表性；

（2）對于某些物料來說，干法是選擇，因?yàn)檫@些物料會(huì)溶解在常見的分散劑中或者分散后由于水合作用使顆粒大小發(fā)生了變化；

（3）一般來說，干法測定比濕法測定更快速，可以在短時(shí)間內(nèi)測定更多的樣品。對于獲得粗略的或者多分散樣品的可重現(xiàn)的結(jié)果特別有用。

但是，并不是每個(gè)樣品都適合用干法測定。非常細(xì)（粒徑非常小）或者有粘性的樣品可能更適合于濕法測量，因?yàn)榭赡苄枰砻婊钚詣┗蛘咂渌稚﹣韺?shí)現(xiàn)樣品wq和可重現(xiàn)的分散。由于干法的分散機(jī)制更具有破壞性，所以可能不適合極易破碎的樣品。綜上，盡管可以使用干法測定樣品量非常少的樣品，但通常使用濕法測定以獲得更好的結(jié)果重現(xiàn)性。

方法獲得可重復(fù)性結(jié)果的三要素

從任何種類的粒子表征系統(tǒng)獲得可重復(fù)的結(jié)果取決于三個(gè)因素：

? 取樣的代表性

? 合適的分散狀態(tài)

? 適當(dāng)?shù)臏y量條件

每個(gè)因素的相對重要性取決于所測量的顆粒的大小。圖1顯示了與干法分散中細(xì)或粗顆粒的測量相關(guān)的相對風(fēng)險(xiǎn)因子。

圖1：干法分散體系中粗顆粒和細(xì)顆粒的風(fēng)險(xiǎn)因子

因此，如果你正在測量非常細(xì)小的顆粒，那么分散壓力將會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生大影響，因?yàn)樗鼤?huì)影響樣品的分散狀態(tài)。但是如果你測定的是粗顆粒（粒徑很大），大可能的誤差則來自于取樣的代表性。

應(yīng)該干法測定結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)

1、分散壓力

粒度測量獲得可重現(xiàn)的結(jié)果依賴于樣品處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)。顆粒分散的容易程度取決于顆粒尺寸，因?yàn)殡S著顆粒尺寸的減小，顆粒之間的相對粘附力增加。這就是為什么分散壓力是細(xì)小粒徑物質(zhì)測定的首要風(fēng)險(xiǎn)因子的原因。

干燥狀態(tài)下的樣品使用由文氏管（注：也叫文丘里管，一種流體流量測定裝置）驅(qū)動(dòng)的壓縮空氣進(jìn)行分散。對于每個(gè)文氏管而言，可用于分散樣品的能量的量值取決于壓縮空氣的壓力。干燥樣品的分散狀態(tài)通過進(jìn)行壓力滴定并將結(jié)果與充分分散的濕法測量結(jié)果進(jìn)行比較來評估。壓力滴定顯示，通常隨著壓力增加，團(tuán)聚體分散，粒度減小。另外，顆粒大小也會(huì)由于顆粒摩擦而降低，并且這兩個(gè)過程可以疊加。將壓力滴定的結(jié)果與良好分散的濕法測量進(jìn)行比較，以確定團(tuán)聚體分散時(shí)的壓力，但原始狀態(tài)的顆粒未被破壞。圖2顯示了奶粉的壓力滴定結(jié)果。

圖2：奶粉壓力滴定，標(biāo)準(zhǔn)文氏管

干法測定的結(jié)果顯示與良好分散的濕法測定結(jié)果最接近的一致性結(jié)果將提示適當(dāng)?shù)膲毫ΑＨ绻煞y定的結(jié)果比濕法測定的結(jié)果更細(xì)?。礁。瑒t表明在該分散壓力下，原始顆粒被破壞。圖3顯示了奶粉樣品濕法測定的結(jié)果與在分散壓力為0.5bar和3bar下干法測定結(jié)果的對比。與濕法測定結(jié)果相比，分散壓力為0.5bar時(shí)測得的粒徑更大，表明樣品在0.5bar的分散壓力下，分散不均勻。但是，分散壓力為3bar時(shí)，測定結(jié)果與濕法測定結(jié)果有很好的相似性。因此，對于這種物質(zhì)，將樣品wq分散的分散壓力為3bar。

圖3：在0.5bar和3bar下分散干法測定結(jié)果于濕法測定結(jié)果的比較

圖2所示的壓力滴定是用Mastersizer 3000干法分散器Aero S提供的標(biāo)準(zhǔn)文氏管進(jìn)行的。如圖4所示，該文氏管利用了干法分散的兩種可用機(jī)理：（a）由剪切力引起的速度梯度和（b）粒子-粒子之間的碰撞。

圖4：干法分散的分散機(jī)理

對于大多數(shù)物料來說，這兩種機(jī)制足以分散樣品。然而，一些高度團(tuán)聚和堅(jiān)固的樣品可能需要額外的更高的能量分散機(jī)制的粒子間壁碰撞，如圖4（c）。由于標(biāo)準(zhǔn)文氏管適用于絕大多數(shù)樣品，因此這將是開發(fā)干法測定的起點(diǎn)。但是，如果對于堅(jiān)固的材料不能實(shí)現(xiàn)wq的分散，那么可能需要使用所有三種分散機(jī)構(gòu)的Aero的高文氏管。

如果我們使用高文氏管里測量奶粉樣品，那么我們會(huì)看到不同的壓力滴定。由于較高的能量分散機(jī)制，樣品在較低的壓力下即可wq分散。圖5顯示使用高能文氏管在分散壓力為1bar時(shí)的干法測定結(jié)果與濕法測定結(jié)果顯示出良好的一致性。而在4bar時(shí)，干法測定的結(jié)果粒徑較小，表明顆粒被破壞。

圖5：用高能文氏管，分散壓力1bar和4bar下干法測定結(jié)果與濕法測定結(jié)果的比較

圖6顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)文氏管和高能文氏管測量的Dv50與壓力的比較，其中將來自濕法結(jié)果的Dv50作為虛線添加以用于比較。這表明使用標(biāo)準(zhǔn)文氏管在3bar和4bar之間和使用高能文氏管在1bar時(shí)與濕法測量的結(jié)果相當(dāng)。在這種情況下，建議使用標(biāo)準(zhǔn)文氏管，因?yàn)楦煞y量結(jié)果與更寬范圍壓力下的濕法分散結(jié)果相當(dāng)，這提高了該方法的穩(wěn)定性。

圖6：與濕法測定相比，使用標(biāo)準(zhǔn)和高能文氏管的Dv50與壓力的關(guān)系

振動(dòng)進(jìn)樣速度

2、振動(dòng)進(jìn)樣速度

進(jìn)樣速率通過振動(dòng)樣品盤來控制樣品通過文氏管進(jìn)入測量單元的速率。通過測量單元的樣品量通過遮光度來記錄（激光通過測量單元時(shí)損失的百分比）。必須設(shè)定振動(dòng)進(jìn)樣速度，使大部分測量持續(xù)時(shí)間內(nèi)的遮光度在合適的范圍內(nèi)，如圖7所示。

Mastersizer 3000S軟件中的遮光度篩選功能可以確保檢測器掃描遮光度在目標(biāo)范圍之外的地方未包含在結(jié)果中。遮光度越高，檢測器的掃描范圍越大，在遮光度允許的范圍內(nèi)，結(jié)果就越具有代表性和可重復(fù)性。這是Mastersizer 3000s干法測量數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告所檢查的參數(shù)之一，當(dāng)檢測到不合適的遮光度時(shí)將顯示警告。

圖7：遮光度與時(shí)間的變化，對綠色的進(jìn)樣速率有很好的控制，對紅色的控制不好。

合適的遮光度范圍取決于樣品量的大小和性質(zhì)。為了使分散器的效率大化，可能需要在較低的遮光度下測量粘性的細(xì)粒徑的樣品，而粒徑較大的物料可以在較高的遮光度下進(jìn)行測量。如果物料的粘性大且粒徑較小，則應(yīng)該縮小遮光度的上限以提高分散器的效率。

在Aero S分散裝置上，可以通過調(diào)節(jié)樣品盤和料斗的設(shè)置來優(yōu)化進(jìn)樣的穩(wěn)定性。對于流動(dòng)性特別的物料，較低的料斗高度可防止物料過快流出樣品盤。對于粘性物料，增加料斗高度可以改善流動(dòng)性?；@子和滾珠也可以用來改善粘性物料的流動(dòng)性。如果樣品量非常少，可以不用料斗，微量或微量樣品盤可能更適合。

3、樣品量

如果你要測量的樣品粒徑較大，那么測量的樣品數(shù)量以及如何獲取代表性的樣品是的誤差來源。

要獲得有代表性的結(jié)果，需要測量最小數(shù)量的粒子。例如，要使D90的標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到5％以內(nèi)，在分析過程中至少需要測量400個(gè)顆粒。因此，對于密度為1.5g/cm3和D90為500μm的物料，需要測量的樣品量約0.5g才能使D90的標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到5％。隨著顆粒尺寸的增加，含有足夠顆粒的質(zhì)量增加，達(dá)到可重現(xiàn)結(jié)果所需的最小樣品量也會(huì)增加。

圖8：5％標(biāo)準(zhǔn)誤差時(shí)粒徑大小和最小樣品量的函數(shù)關(guān)系

圖8顯示了達(dá)到5％標(biāo)準(zhǔn)誤差所需的最小樣品量與粒徑的函數(shù)關(guān)系。您可以通過測量幾個(gè)單獨(dú)的樣本并評估結(jié)果的可變性來測試樣品量是否足夠。

激光粒度儀測量的精密度以變異系數(shù)來評估。

（也就是相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，RSD）

激光粒度儀ISO標(biāo)準(zhǔn)[1]建議，對于中間參數(shù)，例如D50，RSD應(yīng)小于3％；分布極值（邊緣）的參數(shù)，例如D10和D90，RSD應(yīng)小于5％。Mastersizer 3000在其數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)簽中有一個(gè)可變性檢查，使您能夠根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的限制來檢查測量的可變性。

4、測量時(shí)間和耐用性

樣品測量時(shí)間也會(huì)影響結(jié)果的可變性，因?yàn)樗梢猿蔀榱硪粋€(gè)進(jìn)樣步驟。當(dāng)樣品盤振動(dòng)時(shí)，樣品可能會(huì)分離。樣品中較大的、流動(dòng)性更好的顆?？赡軙?huì)在更細(xì)的粘性較大的顆粒之前到達(dá)測量單元。因此，在用干法測量時(shí)，最重要的是要確保測量放在進(jìn)樣盤上的整個(gè)樣品。在方法開發(fā)過程中，為了幫助優(yōu)化參數(shù)（例如遮光范圍），可以重復(fù)測量更短的持續(xù)時(shí)間，但是，一旦測量條件被設(shè)定為較長時(shí)間測量，并且具有足夠的持續(xù)時(shí)間來測量樣品盤上的所有樣品，測量時(shí)間應(yīng)該被設(shè)置。

獲得可重現(xiàn)的結(jié)果所需的樣品的質(zhì)量取決于樣品粒徑的大小和分散性。含有較大顆?；蚓哂蟹浅６喾稚⑿缘臉悠穼⑿枰獪y量更多的樣品量，因此需要更長的測量持續(xù)時(shí)間。

圖9：粒徑大的樣品測量時(shí)間5s時(shí)，重復(fù)測量的粒度分布，顯示較高的可變性

例如，圖9顯示了粒徑約600μm的樣品的測量時(shí)間5秒時(shí)的幾個(gè)測量結(jié)果。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表現(xiàn)出相當(dāng)高的變異性，這可以通過增加測量持續(xù)時(shí)間并由此改進(jìn)樣品的取樣來改善。

對于更細(xì)的或單分散的樣品，測量非常少量的樣品，仍然可以獲得有代表性的結(jié)果。圖10顯示了質(zhì)量在50mg和5mg之間的嬰兒奶粉樣品的干法測量結(jié)果。圖10中的表格包含所得到的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)[1]，這些RSD在激光粒度測量的預(yù)期可重復(fù)性內(nèi)顯示出良好的重現(xiàn)性。

圖10：嬰兒奶粉樣品從50mg到5mg的粒度分布和變異性

總結(jié)

激光粒度儀干法測量獲得重現(xiàn)性結(jié)果取決于三個(gè)主要因素：取樣的代表性、使用合適的壓力分散樣品和設(shè)定適當(dāng)?shù)臏y量條件。每個(gè)因素的相對重要程度取決于測量樣品的粒徑。對于細(xì)顆粒來講，獲得可重現(xiàn)的分散狀態(tài)是最重要的；而對于粒徑大的顆粒來講，確保測量所需要的足夠的樣品量將是最重要的因素。

本文紹了建立粒度干法測量方法的關(guān)鍵參數(shù)，通過本文，你將能夠增加對所測量物質(zhì)的了解，并提高粒度測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

參考文獻(xiàn)

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

粒度分布測定方法開發(fā)策略——濕法