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      激光粒度儀干法和濕法測試在涂料粒徑分析中的應用

      發布日期: 2021-01-21
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        摘要:使用激光粒度儀的干法和濕法分別測試了鈦白粉、滑石粉、石墨烯的粒徑分布,比較了2種測試方法結果的異同。討論了方法合適的測試條件:涂料中的干粉樣品適合干法測試,液態樣品適合濕法測試。
       
        在一定的儀器設置條件下,使用干法測試了鈦白粉、滑石粉、石墨烯的粒徑分布,使用濕法測試了乳液和鈦白粉、石墨烯的粒徑分布,并比較了測試結果的重復性。
       
        試驗表明:干法和濕法測試結果都具有較高的重復性,能夠測試出在涂料中添加的各種粒子的粒徑分布。
       
        涂料粒徑分析主要包括粉末涂料、建筑乳液等涂料產品以及鈦白粉、氧化鐵、滑石粉等顏填料的粒徑分布測試。
       
        粒徑測試的方法主要有沉降法、激光法、篩分法、電阻法、顯微圖像法、電鏡法、電泳法、質譜法、刮板法、透氣法、超聲波法等。
       
        激光粒度儀測試法是新型粒徑測試方法,應用廣泛,測試速度快,測試范圍廣。激光粒徑分析儀是根據激光在被測顆粒表面發生散射,散射光的角度和光強會因顆粒尺寸的不同而不同,根據米氏散射和弗氏衍射理論,可以進行粒徑分析。
       
        激光粒度儀的測試方法可以分為干法和濕法2種。干法使用空氣作為分散介質,利用紊流分散原理,能夠使樣品顆粒得到充分分散,被分散的樣品再導入光路系統中進行測試。
       
        濕法則是把樣品直接加入到水或者乙醇等分散介質中進行分散,然后再經過光路系統,計算出粒徑分布。
       
        干、濕2種測試方法由于分散介質不同,測試結果會存在差異。目前粒度儀大多數使用濕法進行測試,但是干法測試也有其優點:測試速度快,操作簡單,可以測試在水中溶解的樣品等。
       
        本文使用了干法和濕法分別對鈦白粉、滑石粉、石墨烯等顏填料的粒度進行測試,通過分析測試結果,討論了這2種方法之間的差異以及測試條件、分散劑對測試結果的影響,并討論了測試結果之間的重復性。
       
        1實驗部分
       
        1.1主要原料及儀器
       
        鈦白粉:R-2196,中核華原鈦白有限公司;
       
        滑石粉:T-777A,優托科礦產(昆山)有限公司;
       
        石墨烯:SE1132,常州第六元素材料科技股份有限公司。
       
        HELOS/BF干濕二合一激光粒徑分析儀:德國新帕泰克公司;
       
        鏡頭測試范圍(R)為R1(0.1~35μm)、R3(0.5~175μm)、R5(0.5~875μm)。
       
        1.2試驗方法
       
        (1)干法測試
       
        稱取一定量充分混合均勻的樣品,在(105±2)℃的烘箱中烘15min,除去水分。選擇測試模式為干法。設置分散壓力、震動槽速率等參數。加樣測試,遮光率控制在7%~10%。
       
        (2)濕法測試
       
        濕法測試的樣品分為干粉樣品和液態樣品。干粉樣品在測試前要充分混合,樣品的均勻性。液態樣品搖勻后直接加入樣品槽。
       
        不易分散的樣品在樣品槽內加入適量的分散劑,調整泵速、超聲時間、強度、攪拌速率,選擇合適的鏡頭,開始測試。遮光率在8%~12%之間。
       
        1.3粒徑分布參數
       
        Xb=aμm表示粒徑小于aμm的粒徑占總體積的b%;VMD:體積平均粒徑。
       
        2結果與討論
       
        2.1鈦白粉粒徑分布的測試
       
        2.1.1干法測試
       
        測試條件:R1鏡頭;分散壓力0.6MPa;震動槽速率60%;觸發條件為遮光率>1%開始測試,遮光率小于1%停止。
       
        測試結果:X1=0.20μm;X50=0.60μm;X99=1.80μm;VMD為0.69μm。
       
        2.1.2濕法測試(未加分散劑)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        測試結果:X1=0.11μm;X50=0.84μm;X99=2.52μm;VMD為0.90μm。
       
        2.1.3濕法測試(加分散劑六偏磷酸鈉)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        測試結果:X1=0.11μm;X50=0.66μm;X99=2.08μm;VMD為0.74μm。
       
        2.1.4鈦白粉粒徑分布2種測試方法之間的差異
       
        從鈦白粉干法和濕法測試結果可以看出,2種方法的測試結果相近,干法比濕法測試結果偏小。
       
        干法與加分散劑的濕法測試相比,2種方法的X1值相差0.09μm,X50值相差0.06μm,X99值相差0.28μm,VMD相差0.05μm。
       
        濕法測試中若不加分散劑,樣品在分散介質中無法充分分散,樣品的粒徑分布圖中會出現雙峰(見圖2)。
       
        可見分散劑對于樣品分散效果的影響較大,合適的分散劑有利于樣品在分散介質中分散,測試的性。
       
        2.2滑石粉粒徑分布的測試
       
        2.2.1干法測試
       
        測試條件:R1鏡頭;分散壓力0.3MPa;震動槽速率65%;觸發條件為遮光率>1%開始測試,遮光率小于1%停止。
       
        測試結果:X1=0.57μm;X50=4.35μm;X99=19.19μm;VMD為5.41μm。
       
        2.2.2濕法測試(未加分散劑)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        圖片
       
        測試結果:X1=0.61μm;X50=6.21μm;X99=22.01μm;VMD為7.03μm。
       
        2.2.3濕法測試(加分散劑六偏磷酸鈉)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        測試結果:X1=0.60μm;X50=5.73μm;X99=23.63μm;VMD為7.03μm。
       
        2.2.4滑石粉粒徑分布2種測試方法之間的差異
       
        比較滑石粉干法測試和濕法測試的粒徑分布圖可以看出,濕法比干法測試結果偏大?;勖芏容^大,在干法測試的過程中,選擇了0.3MPa的分散壓力。
       
        濕法測試中,加入分散劑和未加分散劑的測試結果相近,可以看出添加分散劑對滑石粉的測試結果影響不大?;勰軌蜉^好地分散在水中。
       
        2.3石墨烯粒度分布的測試
       
        2.3.1干法測試
       
        測試條件:R1鏡頭;分散壓力0.1MPa;震動槽速率65%;觸發條件為遮光率>1%開始測試,遮光率小于1%停止。
       
        測試結果:X1=0.62μm;X50=3.86μm;X99=8.10μm;VMD為3.89μm。
       
        2.3.2濕法測試(不加分散劑)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        測試結果:X1=1.94μm;X50=9.69μm;X99=20.37μm;VMD為10.19μm。
       
        2.3.3濕法測試(加分散劑)
       
        測試條件:R1鏡頭;泵速40%;超聲時間30s;攪拌速率40%。
       
        測試結果:X1=1.34μm;X50=7.45μm;X99=18.04μm;VMD為7.95μm。
       
        2.3.4石墨烯2種測試方法之間的差異
       
        從石墨烯2種方法的測試結果可以看出,干法的測試結果偏小,濕法的測試結果較大(加入分散劑測試)。這是因為石墨烯樣品密度較小,會浮在分散介質上,樣品的分散效果較差。
       
        2種方法X1值相差0.72μm,X50值相差3.59μm,X99值相差9.94μm,VMD相差4.06μm,說明石墨烯樣品難于在水中較好地分散,干法測試更適合石墨烯。
       
        濕法測試中,添加分散劑和不加分散劑的粒徑分布結果相差也較大,說明使用分散劑六偏磷酸鈉可以較好地分散石墨烯。而分散劑的濃度和用量對樣品分散效果的影響則需要通過另外的實驗來確定。
       
        2.4涂料粒徑分析干法和濕法之間的差異
       
        干法和濕法雖然測試的結果比較接近,但是由于兩者的分散介質的折射指數不一樣,兩者的測試結果之間會有一些差異。進行粒徑分析,重要的是要樣品在各自使用的介質中的分散效果。
       
        干法的進樣速率、壓力等分散條件的選擇要合適,在可以分散好樣品的情況下,盡量選擇較小的壓力,減少對樣品顆粒的沖擊,避免顆粒的二次破碎。
       
        對于一些難于分散的樣品,比如氧化鐵,密度較大,需要選擇較大的分散壓力,否則無法取得好的分散效果,或者改變進樣量來改變樣品的分散效果。
       
        濕法進樣要通過改變攪拌速率、超聲時間來進行調整,同時使用合適的分散劑來對樣品進行分散。對于一些較輕,可漂浮在分散介質上的樣品,要延長樣品的測試時間,以利于樣品的充分分散。
       
        同時濕法測試應該使用超聲波去除氣泡,否則會在結果中形成拖尾峰。
       
        2.5干法和濕法測試的重復性比較
       
        2.5.1干法測試重復性
       
        重復性指標是衡量粒徑分布測試結果好壞的重要指標,是指同一個樣品多次測量結果之間的偏差,通常用X50之間的偏差表示。
       
        粒徑分布的重復性測試與樣品的分散程度有較大的關系,樣品分散的好,則測試的重復性也較高。選取2種常用的顏填料鈦白粉和滑石粉進行干法重復性試驗。結果見表1。
       
        2.5.2濕法測試重復性
       
        選取乳液和鈦白粉分別進行了2次濕法重復測量。測試結果見表2。
       
        目前在GB/T21782.13—2009中規定了粉末涂料粒徑測試重復性的要求為2次測試結果的任何一個粒度級分區間的偏差不大于1%。從以上樣品的測試結果來看,干法測試和濕法測試的重復性均滿足標準要求。
       
        影響重復性測試的主要因素是樣品的分散程度,所以測試前取樣要樣品的均勻性,對于容易團聚的樣品,其重復性較差,所以無論是干法測試還是濕法測試,均要做好樣品的前處理工作。
       
        干粉狀樣品,要注意除水干燥。對于一些在水中分散不好的干粉樣品,需要在分散介質中加入分散劑,設置好儀器的超聲時間、攪拌速率等輔助分散條件。
       
        濕法測試用液態樣品,需要將樣品攪拌均勻。乳液、水分散體樣品,由于被測粒子已經在樣品中分散形成了穩定體系,所以測試結果的重復性較好。
       
        濕法測試的分散介質對于樣品的影響很大,容易和分散介質(水)發生反應,或和水的折射率相差不大的樣品不宜使用濕法測試。
       
        而對于像氧化鐵之類的密度較大的樣品,使用干法測試分散性較差,可以使用濕法進行測試。通過加入分散劑,延長超聲時間,提高攪拌速率,使樣品可以充分分散,從而提高樣品的測試重復性。
       
        3結語
       
        討論了激光粒度儀干法和濕法測試涂料用顏填料鈦白粉、滑石粉、石墨烯以及建筑乳液的粒徑分布。
       
        對激光粒度儀測試法來說,干法測試和濕法測試由于分散原理上的差異,對于同一個樣品,測試結果也會存在差異。
       
        濕法測試的結果比干法測試的結果偏大。在進行密度較小的樣品的測試過程中,樣品會浮在分散介質上,要加入六偏磷酸鈉等表面活性劑,降低分散介質的表面張力,提高樣品的分散度,才能樣品在分散介質中充分分散。
       
        在的儀器設置條件下,激光粒度儀測試的重復性較好,鈦白粉、滑石粉等粉體干法測試2次結果的偏差小于1%。濕法測試,乳液的測試重復性要好于干粉的測試重復性,濕法測試2次結果的偏差小于1%。
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