激光粒度儀表征納米炭黑粒度分布的應(yīng)用案例分析
吳 瑾
珠海歐美克儀器有限公司應(yīng)用經(jīng)理。主要負責粒度檢測技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用和技術(shù)支持工作。對于粒度粒形表征基礎(chǔ)理論、測量原理和應(yīng)用技術(shù)積累了豐富、深入的實戰(zhàn)經(jīng)驗，能夠從粉體質(zhì)量和行業(yè)要求等多個維度來分析顆粒檢測與表征，為客戶提供科學、獨到的解決方案。
納米炭黑作為一種非常重要的功能材料已在橡膠、塑料行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其粒徑和粒徑分布直接影響產(chǎn)品的工藝性能和使用性能。目前，表征炭黑粒度的方法很多，比如篩分法、電鏡法、沉降法、激光法等。
篩分法設(shè)備簡單，結(jié)果直觀，但篩孔尺寸會隨使用時間和使用頻率而變化，即便篩網(wǎng)定期會經(jīng)過校準，但要克服尺寸的這種變化較為困難。但該法測試樣品量大，代表性強，在炭黑行業(yè)仍作為炭黑出廠指標在產(chǎn)品合格證中列示。電鏡法分辨率高，結(jié)果直觀，容易得到一次粒徑結(jié)果，但由于炭黑是不易分散的團聚體，得到的粒徑分析結(jié)果難以代表樣品在實際應(yīng)用時的分散程度及粒度分布狀態(tài)，也無法指導納米級炭黑發(fā)揮其應(yīng)有的性能優(yōu)勢。此時，用離心沉降法、激光衍射分析法測得的包含有二次粒徑信息的粒度分布數(shù)據(jù)就更具有實際指導意義。
圓盤式離心沉降法測量炭黑的尺寸分布是經(jīng)典的炭黑粒徑分布測試方法，有ISO標準可供使用，但其測量超細顆粒粒度及其粒度分布還存在測量時間過長以及數(shù)據(jù)處理方法復雜等缺點。激光粒度儀測試速度快、動態(tài)范圍寬，結(jié)果信息量大、重現(xiàn)性好，測試炭黑的粒度及粒度分布有其自身的顯著優(yōu)勢。
對于難分散的樣品，制樣方法、測試條件不同，結(jié)果會有差異。模擬該樣品在實際應(yīng)用中的顆粒分散程度，本文初步設(shè)計了3種分散制樣方法，對同一種炭黑的粒度測試結(jié)果進行了對比淺析。
實驗部分
OMEC
主要樣品和材料
炭黑N234，丙酮、無水乙醇（分析純），去離子水
▲ 圖片來源網(wǎng)絡(luò)
主要設(shè)備和儀器
Topsizer Plus激光粒度分析儀（適配循環(huán)進樣系統(tǒng)SCF-108和SCF-126B）以及PIP8.1顆粒圖像處理儀。
▲ 歐美克Topsizer Plus 激光粒度分析儀
（點擊圖片查看儀器詳情介紹）
▲ 歐美克PIP8.1顆粒圖像處理儀
（點擊圖片查看儀器詳情介紹）
以上儀器均為珠海歐美克儀器公司生產(chǎn)；
Quanta 250 FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司生產(chǎn)；信儀JY96-II超聲波細胞粉碎機。
樣品制備測試方案
A法分段超聲：稱取樣品，加入微量乙醇浸潤樣品，水浴超聲3min；緩慢加入曲拉通溶液，探頭式超聲分散10min；靜置恢復室溫后取上層液，再次水浴超聲3min，靜置至室溫。
B法丙酮分散：取適量樣品，加入丙酮，攪拌，采用探頭式超聲分散15min。
C法乙醇分散：取適量樣品，加入無水乙醇，攪拌，采用探頭式超聲分散15min。
結(jié)果與討論
OMEC
不同分散方法對炭黑樣品進行測試的結(jié)果如表1和圖1-圖3所示。
▲ 表1 不同分散方法的結(jié)果對比
▲ 圖1 分段超聲法粒度分布圖
▲ 圖2 丙酮分散的粒度分布圖
▲ 圖3 乙醇分散的粒度分布圖
可以看出，C法的整體分散效果要更好。這是否符合實際情況呢？我們進一步結(jié)合電鏡和顯微鏡的檢測結(jié)果來綜合分析，如圖4-6所示。
▲ 圖4 乙醇分散炭黑顯微圖像
▲ 圖5 乙醇分散炭黑電鏡圖像
▲ 圖6 乙醇分散炭黑樣品電鏡下的高倍圖像
對于納米級的炭黑顆粒，由于顆粒非常小，顆粒的表面能很大，細小的炭黑顆粒之間容易由于相互作用力而結(jié)合在一起，導致顆粒之間發(fā)生團聚，形成更大的二次粒徑。通常我們把單個的細小炭黑顆粒的粒徑叫做炭黑的一次粒徑，也叫原生粒徑，而把發(fā)生團聚后形成的二次炭黑顆粒粒徑叫做炭黑的二次粒徑，呈現(xiàn)的形態(tài)稱為炭黑的聚集體。由于電鏡的分辨率極高，可以觀測到炭黑的一次粒徑。
從電鏡結(jié)果可以看出，樣品的一次粒徑大多在30-40nm，少部分在20nm，極少部分在100nm（圖8），當然也有捕抓到粒徑大于1微米的粒子（圖7）。從圖6中同樣可見少量粒徑大于1μm的粒子均勻散落在顯微圖像中。
綜上，采用C法分散制備的納米炭黑樣品，激光粒度儀、電鏡和顆粒顯微圖像檢測結(jié)果一致性較好；聚集顆粒得到了最大程度的分散，該粒度分布中包含了主要的一次粒徑信息，也有極少量二次粒徑的信息。如下：
采用C法，兩次取樣的各4條記錄的統(tǒng)計結(jié)果如下：
可見結(jié)果重復性、再現(xiàn)性好，分散方法穩(wěn)健，測試結(jié)果穩(wěn)定。
結(jié)論
OMEC
用Topsizer Plus激光粒度儀測試炭黑的粒徑分布，得到的是炭黑包含有二次粒徑信息的粒度分布，能代表炭黑在實際應(yīng)用中的顆粒分散狀態(tài)。激光衍射法表征炭黑粒度及粒度分布對相關(guān)研究及實際應(yīng)用都具有重要的意義。
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