激光粒度仪在涂料测试中的应用

　　前言

　　在涂料制造技术中，使用的颜料、填料的粒度及粒度分布是一项非常重要的指标，它对涂料产品的性能有着非常重要的影响。大型仪器激光粒度仪可以有效地进行粒度分析，并可以快速地给出测试结果，为涂料研制人员带来了方便。激光粒度仪是一种部件精密、结构复杂的仪器，在使用时，需要对条件参数进行准确的设置，以便得到有效的测试结果。干分散法以压缩空气为分散剂对样品进行分散，适合于粉末状样品的测试;湿分散法以溶剂为分散剂，用超声波进行分散，再通过激光束照射产生散射信号，既可以对干粉进行测试，也可以对乳浊液和悬浮液进行测试。两种测试方法需要根据样品情况进行选择[1]。

　　1. 试验仪器

　　德国新帕泰克(Sympatec)公司制造HELOS/OASIS干湿二合一激光粒度分析仪，测试范围为0.1～875μm，安装3个镜头分别为：R1(0.1～35μm);R3(0.5～175μm);R5(0.5～875μm)。

　　2. 测试原理

　　激光粒度分析仪的工作原理是基于光的散射理论与衍射理论。当光束投射到仪器的分散系统时，可以发生光的吸收、反射、散射、衍射。当入射光的频率与分子的固有频率相同时，发生光的吸收;当入射光的波长小于分散粒子的尺寸时，则发生光的反射、衍射等;若入射光的波长大于分散相粒子的尺寸时，发生光的散射。一般0.1μm以下的颗粒，衍射现象消失，主要发生散射现象;0.1～10μm的颗粒，也是以衍射光为主，颗粒会产生部分的折射和散射光;大于10μm的颗粒，散射和折射都消失，以衍射为主。根据夫琅和夫衍射理论，对于10μm，0.1～10μm的颗粒，衍射角的大小与颗粒的大小有关，衍射光的强度与颗粒的数量有关，由此可以确定颗粒的尺寸及数量。对于0.1μm以下0.1～10μm的颗粒，根据米氏散射理论，既考虑光的衍射，同时也考虑光的散射和折射，根据颗粒的综合折射系数，进行计算，从而求出颗粒的大小及尺寸[2]。

　　3. 粒度分析有关的几个重要表征参数

　　X50：累计分布百分数达到50%时所对应的粒径值，它是反映粉体粒度特性的一个重要指标之一。X50又称中位径或中值粒径。(X10，X90)：表示小于X10的颗粒占颗粒总数的10%，大于X90的颗粒占总体积的10%。两个特征结合起来，表示样品粒度分布的范围。X(4，3)：表示体积平均粒径，定义公式为：VMD=ΣniX4i/ΣniX3i，一般情况下，它的值与X50非常接近，但是如果粒度分布严重不对称时，也会显著不一致。X(3，2)：表示面积平均粒径，定义公式为：SMD=ΣniX3i/ΣniX2i，它在理论上与比表面积成反比[3]。

　　注：图中左边坐标为累积分布坐标，右边坐标为强度分布坐标。所有曲线图坐标相同。

图1 Zn粉干分散法R1镜头测试图

图2 Zn粉干分散法R3镜头测试图

图3 Zn粉干分散法R5镜头测试图[page]

　　4. 试验部分

　　4.1 干分散法测定锌(Zn)粉粒度及粒度分布

　　测定条件：振动槽频率70%;压力0.4MPa;评估法：HRLD;测试时间：10s。选择R1、R3、R5镜头分别进行测试，结果如表1。

　　表1 Zn粉干分散法测试结果

　　4.2 湿分散法测定锌(Zn)粉粒度及粒度分布

　　分散介质：水;分散剂：六偏磷酸钠;搅拌速

　　度：40%;超声分散时间：30s。

　　表2 Zn粉湿分散法测试结果

图4 Zn粉湿分散法R1镜头测试图

图5 Zn粉湿分散法R3镜头测试图

图6 Zn粉湿分散法R3镜头加入分散剂测试图

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　　5. 结果与讨论

　　5.1 Zn粉测试结果的讨论

　　从Zn粉的干分散法测试结果可以看出，不同镜头的测试结果有一些差异，虽然样品颗粒都在位于镜头的同一区域内测量，但是由于各个镜头分辨率不同，小镜头分辨率高，大镜头分辨率低，大镜头在测细小颗粒时很难测到细颗粒的衍射光，从而使分析结果产生误差。如表1所示，R1的X50为4.89μm，R2的X50为4.91μm，R5的X50为4.10μm。由于R1镜头的测试范围为0.1～35μm，R3镜头的测试范围为0.5～175μm，R5镜头的测试范围为0.5～875μm，而每个镜头的测试范围又划分成31通道，R1镜头第一通道的分辨范围为0.1～0.18μm;R3镜头第一通道的分辨范围为0.50～0.90μm;R5镜头第一通道的分辨范围为为0.50～4.50μm。

　　通常选择合适的镜头要保证第一通道的颗粒累积分布含量值在5%以下，而表1中给出的R5镜头的第一通道的颗粒累积分布含量值高达55.61%，远远超出5%的要求值，所以使用该镜头会出现严重的偏差，会使样品的许多小颗粒漏检，测试结果出现偏小的错误数值。从表1还可以看出，累积分布含量为100%的通道组数，R1为2组，R3为8组，R5为20组，一般要求，合适的镜头也即合适的量程，样品累积分布含量达到100%的通道组数要保证4组左右，通过分析可以看出，该Zn粉样品使用R3镜头较为合适。从Zn粉湿分散法测试图看，湿分散法测试结果比干分散法测试结果要大，这是使用不同的分散方法带来的测试差异。同样湿分散法测试时未加分散剂六偏磷酸钠的测试结果比加入六偏磷酸钠以后的测试结果也要偏大。

　　选择干分散法测试还是使用湿分散法测试，需根据具体的样品状况来决定。干分散法测试，方便、快捷，不过干分散法的分散系统采用了空气流来分散样品颗粒，由于样品的分子之间摩擦会产生静电力，就会使样品颗粒团聚，如果选择的压力偏低，就会造成样品在分散管内的分散不均，引起测试误差，同时干分散法测试时样品的消耗量也比较大。

　　与干分散法相比，湿分散法可以使用超声波、合适的分散剂来分散样品，方式灵活多样，样品的用量也较少，缺点就是分散介质一定要找准确。再则，待测样品的状态也决定应该选择何种的测试方法，比如，有些易溶解的颜料颗粒就必须使用干分散法测试，而树脂乳液就要使用湿分散法。很多样品，必须要在分散介质中加入分散剂，否则不能充分地进行分散。在分散介质中添加少量分散剂以后，会在样品颗粒的表面吸附上分散剂的正离子或负离子，从而产生水合作用，使颗粒间互相排斥。当排斥力大于颗粒间的范氏引力时，会使颗粒间保持良好的分散状态[4]，所以，加入六偏磷酸钠等表面活性剂后，粒子分散状态良好，从而使测试结果比未加表面活性剂之前的测试结果降低。

　　5.2 测试方法的讨论

　　5.2.1 干分散测试方法的讨论

　　干分散法测试的步骤一般是先在仪器的软件操作界面上设置好样品的测试条件，然后启动背景测试按钮，系统会在没有添加样品的情况下测试出仪器镜头的光学状态以及管路的清洁状况，然后给出背景值，通常的背景值不要高于5。如果测试背景的值比较大，可以使用棉球蘸酒精擦拭镜头或者通过启动排气系统装置清除掉管道内残留的污物颗粒，背景测试正常之后，就可以进样进行测试。

　　干分散法测试是使用压缩空气对样品进行分散，要保证样品颗粒不会破碎，又能分散良好，同时取的样品量又有一定的代表性，所以对于干分散法测试条件的选择要特别注意空气的压力、遮光率的大小等关键参数，同时还要根据样品的特性，设定好进样速率，振动槽高度，测试的起始条件等。遮光率反映了每次测试时激光束中有多少的样品，其值的大小不仅与样品的形态、组成有关，并且还与样品的多少成正比。所以测试所需样品的取样量的多少，需要根据遮光率数值的大小来进行调节，所需的量既要避免出现多元散射，又要避免信号不足。通常遮光度值控制在15%以下，最佳是在7%～10%。

图7 氧化铁红测试图

图8 钛白粉测试图

　　在涂料中使用的钛白、氧化铁等密度比较大、粒径又比较细的颜料粒子由于静电力的作用，极易发生团聚，一般需使用0.3MPa以上的压力才能有效进行样品的分散，而低于0.3MPa的压力，样品就不能有效分散。红色颜料氧化铁使用0.1MPa的压力，60%的速率进行测试时，分布图上出现了双峰，有一个高的尾峰，说明有大量的粒子团聚在一起未能分散，如图7所示。白色颜料钛白，使用0.1MPa的压力，60%的速率也会出现大颗粒聚集的现象，如图8所示。所以对于不同的样品由于密度、颗粒粗细情况都不一样，所设定的分散压力也不一样。通常情况是在保证分散好的前提下，使用最小的分散压力，这样既可以分散开样品，又可以保护仪器的分散管，延长分散管的寿命。

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　　5.2.2 湿分散测试方法的讨论

　　使用湿分散法测试，首先应设定湿分散法为当前测试方法，这时设备会自动从干分散法切换到湿分散法。然后再设定湿分散法的试验条件，如蠕动泵速，超声速率、时间，搅拌速度等，然后启动开始按钮，进行背景测试。若背景很高的话，需要清洗镜头，冲洗管路等，保证背景值比较低，再加入样品。控制加入的样品量，使遮光率保持在一定范围，遮光率范围可选择在5%～30%，以20%～30%为佳[5]。样品测试后，软件会以图表形式给出结果。

　　湿分散法选择分散介质的条件一般是：①呈透明状态，使激光可以通过;②与仪器的材料能够配套使用，不会溶解或改变样品的粒度;③对空气泡或其他粒子是不相溶的。④能够容易、稳定地分散样品颗粒。⑤其折射率与样品颗粒相差很大。⑥有合适的黏度可以循环。一般测试使用水为分散介质，在其中加入低泡沫的表面活性剂，以降低水的表面张力，也可视样品及仪器情况选用乙醇、异丙醇、己烷或异辛烷等作为分散介质[6]。

　　涂料中使用的颜料像钛白、氧化铁、碳酸钙、高岭土等，其折射率等一般为2.50、2.60、2.42、1.52、1.61等，而水的折射率约为1.33，通常在加入表面活性剂之后，可以作为这些样品的分散介质。合适的超声时间和强度，能给被分散样品合适的能量，利于被分散样品颗粒相互分散开，形成稳定、均匀的分散溶液。超声的功率过大或时间过长都容易导致样品破裂，所以使用时要进行超声时间和功率递增选择试验，观察最后的粒度测试图，图中粒度分布平稳不再减少时的时间和强度设定为最后的数值。一般搅拌速率设定范围为1%～100%，当速率为100%时，功率为60W。乳液经搅拌后容易带入气泡，引起误差，对测量结果会产生影响，如图9所示，在尾部出现一突起的峰，即为搅拌后引入气泡所致。所以乳液测试，搅拌速率不宜过高，以20%～50%为佳。

图9 乳液粒径测试图

　　6. 结语

　　使用激光粒度仪可以准确测定颜填料、乳液、粉末涂料等的粒度及粒度分布，更可以方便地选择干分散法测量或湿分散法测量。两者都能客观地反映样品的粒度分布。不论选用湿分散法还是干分散法，为保证测试结果的准确性，从上面的讨论可以知道，应做到以下几点：

　　(1) 选用干分散法测试要选用合适的分散压力，只有选择的压力大小能完全分散开加入的样品颗粒，才能测出准确的样品颗粒度分布，否则测试的结果仅为该样品团聚颗粒的粒度分布，也不能满足样品测试重复性的要求。

　　(2) 湿分散法测试分散介质和分散剂的选择至关重要，只有根据样品的特点选择好合适的分散介质和分散剂才能获得准确的样品粒度分布。

　　(3) 测试的镜头不能被污染，镜头要保持清洁，这样才能保证测试结果的准确。

　　(4) 遮光指数控制在合适的范围内。干分散法测试控制在7%～10%，湿分散法测试控制在20%～30%为最佳测试范围。