干法測定的優(yōu)點

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優(yōu)點：

（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，因為這些物料會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，并不是每個樣品都適合用干法測定。非常細（粒徑非常小）或者有粘性的樣品可能更適合于濕法測量，因為可能需要表面活性劑或者其他分散劑來實現(xiàn)樣品wq和可重現(xiàn)的分散。由于干法的分散機制更具有破壞性，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)獲得可重復的結(jié)果取決于三個因素：

? 取樣的代表性

? 合適的分散狀態(tài)

? 適當?shù)臏y量條件

每個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或粗顆粒的測量相關(guān)的相對風險因子。

圖1：干法分散體系中粗顆粒和細顆粒的風險因子

因此，如果你正在測量非常細小的顆粒，那么分散壓力將會對結(jié)果產(chǎn)生大影響，因為它會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，因為隨著顆粒尺寸的減小，顆粒之間的相對粘附力增加。這就是為什么分散壓力是細小粒徑物質(zhì)測定的首要風險因子的原因。

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)動的壓縮空氣進行分散。對于每個文氏管而言，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)通過進行壓力滴定并將結(jié)果與充分分散的濕法測量結(jié)果進行比較來評估。壓力滴定顯示，通常隨著壓力增加，團聚體分散，粒度減小。另外，顆粒大小也會由于顆粒摩擦而降低，并且這兩個過程可以疊加。將壓力滴定的結(jié)果與良好分散的濕法測量進行比較，以確定團聚體分散時的壓力，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，標準文氏管

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?shù)膲毫ΑＨ绻煞y定的結(jié)果比濕法測定的結(jié)果更細小（粒徑更小），則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，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提供的標準文氏管進行的。如圖4所示，該文氏管利用了干法分散的兩種可用機理：（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：干法分散的分散機理

對于大多數(shù)物料來說，這兩種機制足以分散樣品。然而，一些高度團聚和堅固的樣品可能需要額外的更高的能量分散機制的粒子間壁碰撞，如圖4（c）。由于標準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。但是，如果對于堅固的材料不能實現(xiàn)wq的分散，那么可能需要使用所有三種分散機構(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，那么我們會看到不同的壓力滴定。由于較高的能量分散機制，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，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顯示了使用標準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。這表明使用標準文氏管在3bar和4bar之間和使用高能文氏管在1bar時與濕法測量的結(jié)果相當。在這種情況下，建議使用標準文氏管，因為干法測量結(jié)果與更寬范圍壓力下的濕法分散結(jié)果相當，這提高了該方法的穩(wěn)定性。

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

振動進樣速度

2、振動進樣速度

進樣速率通過振動樣品盤來控制樣品通過文氏管進入測量單元的速率。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損失的百分比）。必須設定振動進樣速度，使大部分測量持續(xù)時間內(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性。這是Mastersizer 3000s干法測量數(shù)據(jù)質(zhì)量報告所檢查的參數(shù)之一，當檢測到不合適的遮光度時將顯示警告。

圖7：遮光度與時間的變化，對綠色的進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粒徑的樣品，而粒徑較大的物料可以在較高的遮光度下進行測量。如果物料的粘性大且粒徑較小，則應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)樣品盤和料斗的設置來優(yōu)化進樣的穩(wěn)定性。對于流動性特別的物料，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性。籃子和滾珠也可以用來改善粘性物料的流動性。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的標準誤差達到5％以內(nèi)，在分析過程中至少需要測量400個顆粒。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的標準誤差達到5％。隨著顆粒尺寸的增加，含有足夠顆粒的質(zhì)量增加，達到可重現(xiàn)結(jié)果所需的最小樣品量也會增加。

圖8：5％標準誤差時粒徑大小和最小樣品量的函數(shù)關(guān)系

圖8顯示了達到5％標準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單獨的樣本并評估結(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。

（也就是相對標準偏差，RSD）

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

4、測量時間和耐用性

樣品測量時間也會影響結(jié)果的可變性，因為它可以成為另一個進樣步驟。當樣品盤振動時，樣品可能會分離。樣品中較大的、流動性更好的顆粒可能會在更細的粘性較大的顆粒之前到達測量單元。因此，在用干法測量時，最重要的是要確保測量放在進樣盤上的整個樣品。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），可以重復測量更短的持續(xù)時間，但是，一旦測量條件被設定為較長時間測量，并且具有足夠的持續(xù)時間來測量樣品盤上的所有樣品，測量時間應該被設置。

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。含有較大顆粒或具有非常多分散性的樣品將需要測量更多的樣品量，因此需要更長的測量持續(xù)時間。

圖9：粒徑大的樣品測量時間5s時，重復測量的粒度分布，顯示較高的可變性

例如，圖9顯示了粒徑約600μm的樣品的測量時間5秒時的幾個測量結(jié)果。相對標準偏差表現(xiàn)出相當高的變異性，這可以通過增加測量持續(xù)時間并由此改進樣品的取樣來改善。

對于更細的或單分散的樣品，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準偏差，根據(jù)ISO標準[1]，這些RSD在激光粒度測量的預期可重復性內(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)果取決于三個主要因素：取樣的代表性、使用合適的壓力分散樣品和設定適當?shù)臏y量條件。每個因素的相對重要程度取決于測量樣品的粒徑。對于細顆粒來講，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)果的準確性和可重復性。

參考文獻

[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