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    激光粒度儀的基本原理與應(yīng)用
    來源:本站 時(shí)間:2020-08-24 17:27:40 瀏覽:29568次

    作者:Green dinosaur

    1 引言

    食品、醫(yī)藥、催化等眾多行業(yè)中的許多物料都是以粉體形態(tài)存在的,粉體顆粒粒度分布對(duì)物料的質(zhì)量和性能有著重要的影響。例如水泥中的顆粒大小會(huì)影響凝結(jié)時(shí)間和成品強(qiáng)度,催化劑的粒度影響催化活性,電池原料粒度分布影響電池的壽命與容量等。因此,有效地測(cè)量粉體顆粒粒度與分布,對(duì)控制物料形貌與性質(zhì),提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。在眾多測(cè)試方法中,激光粒度儀以激光為探測(cè)光源,利用光源散射原理進(jìn)行粉體測(cè)量,具有測(cè)量范圍寬、結(jié)果分析快、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì),是一種應(yīng)用廣泛而比較有發(fā)展前途的粒度測(cè)量設(shè)備。

    2 工作原理與結(jié)構(gòu)

    2.1 光散射原理

    激光粒度儀的測(cè)量原理是光散射原理,即光線通過不均勻介質(zhì)時(shí)與顆粒產(chǎn)生相互作用,發(fā)生吸收、反射、折射、透射和衍射等現(xiàn)象而使光線偏離原先的光路。如圖1所示。


    圖1 光散射現(xiàn)象

    圖1 光散射現(xiàn)象


    光散射現(xiàn)象

    光散射現(xiàn)象


    圖2 激光粒度儀的測(cè)量方法


    圖2 激光粒度儀的測(cè)量方法
    2.2 測(cè)量方法
    2.2.1 靜態(tài)光散射法
    靜態(tài)光散射法(Static light scattering,SLS)是采用光電探測(cè)器收集散射光的光強(qiáng)、能量等信號(hào)后,依據(jù)散射原理對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算解讀從而獲取顆粒尺寸信息的測(cè)量方法。這種方法獲取的是一次得到的瞬時(shí)信息,因此稱為靜態(tài)法。靜態(tài)光散射法分為:小角向前散射法、全角度散射法、角散射法等。
    激光器發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束、準(zhǔn)直后成為平行光,顆粒在平行光照射下產(chǎn)生散射,在焦平面上形成Airy斑。對(duì)同一種激光源而言,大顆粒對(duì)應(yīng)的光環(huán)半徑小,小顆粒對(duì)應(yīng)的光環(huán)半徑大。依據(jù)這種原理推導(dǎo)出粒子的粒度及其分布信息的方法稱為小角向前法。
    入射光被粒子散射后強(qiáng)度減小,光強(qiáng)衰減比例由粒子粒徑大小決定,利用這種方法進(jìn)行的粉體粒徑測(cè)量稱為全角度法。
    在某一方向下,粒子的散射光能量的大小取決于顆粒尺寸和形貌,采用這種方法測(cè)量散射光中包含粒子尺寸信息的方法稱為角散射法。
    2.2.2 動(dòng)態(tài)光散射法

    動(dòng)態(tài)光散射法(Dynamic light scattering,DLS)是通過測(cè)量光強(qiáng)隨時(shí)間的變化來實(shí)現(xiàn)粒度測(cè)量的,在更早的文獻(xiàn)中也稱作光子相關(guān)光譜(PCS)和準(zhǔn)彈性光散射(QELS)。根據(jù)Rayleigh散射原理,在粒子尺寸遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)時(shí),粒子的大小不再影響散射光相對(duì)強(qiáng)度的角分布,在這種情況下無法再使用靜態(tài)光散射法進(jìn)行測(cè)量。


    圖3 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量流程
    圖3 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量流程

    動(dòng)態(tài)光散射法是依據(jù)顆粒在作布朗運(yùn)動(dòng)時(shí),散射光的總光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)、散射光頻率產(chǎn)生頻移的原理,從而通過測(cè)量散射光強(qiáng)度函數(shù)隨時(shí)間的衰減程度,利用斯托克斯-愛因斯坦關(guān)系來分析得到顆粒的流體動(dòng)力學(xué)尺寸及其分布信息。采取動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)量可將粒子直徑的檢測(cè)范圍延伸到納米級(jí)或亞納米數(shù)量級(jí)。


    光散射現(xiàn)象


    2.2.3 靜態(tài)光散射與動(dòng)態(tài)光散射法的比較

    靜態(tài)光散射法:
    優(yōu)點(diǎn):范圍廣,速度快,重復(fù)性高,可在線測(cè)量;
    缺點(diǎn):僅限于稀釋液體中的顆粒測(cè)定,在高密度介質(zhì)中的多次散射會(huì)導(dǎo)致誤差;儀器體積大,價(jià)格高,操作復(fù)雜,維護(hù)頻繁。
    動(dòng)態(tài)光散射法:
    優(yōu)點(diǎn):精準(zhǔn)、穩(wěn)定,對(duì)尺寸分布范圍窄的顆粒測(cè)量分辨率達(dá)到較高精度;
    缺點(diǎn):大顆粒的存在會(huì)嚴(yán)重影響尺寸精度,不適用于測(cè)量多分散樣品。
    依據(jù)樣品性質(zhì)可選用不同的測(cè)試技術(shù)。二者相比,靜態(tài)光散射的粒度分析儀是測(cè)量數(shù)百納米到幾毫米顆粒的廣泛使用儀器,而動(dòng)態(tài)光散射法已經(jīng)成為測(cè)量亞微米顆粒的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

    2.3 儀器結(jié)構(gòu)


    圖4 激光粒度儀的結(jié)構(gòu)[2]


    圖4 激光粒度儀的結(jié)構(gòu)[2]
    激光粒度儀的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
    由激光器發(fā)射的光束,經(jīng)過空間濾波器和擴(kuò)束透鏡后成為一束具有特定波長(zhǎng)的平行光。顆粒粉體分散在空氣流或液體介質(zhì)中,由分散系統(tǒng)傳輸進(jìn)樣品室,以保證顆粒分散均勻。平行光經(jīng)過樣品室發(fā)生衍射和散射,出射的散射光經(jīng)傅里葉透鏡后成像在焦平面上。焦平面上排列搭載有多環(huán)光電探測(cè)器,探測(cè)器探測(cè)到的散射光信息被轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)電腦測(cè)量和反演可以獲得顆粒的粒度分布特征。
    (1)激光器:一般為He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器,作用是提供具有一定波長(zhǎng)的光束;
    (2)透鏡系統(tǒng):分為入射前的擴(kuò)束透鏡和空間濾波器,將激光器發(fā)出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直和過濾,使其成為具有一束平行單色光束;以及出射后的傅里葉透鏡,用來將散射光會(huì)聚在焦平面;
    (3)分散系統(tǒng):依據(jù)分散劑不同分為濕法分散和干法分散。濕法分散通常通過超聲和攪拌達(dá)到,分散效果與超聲時(shí)間、頻率和攪拌速度相關(guān);干法分散則分為自由下落式和噴射式分散法兩種。樣品的充分分散是獲得準(zhǔn)確分析結(jié)果的前提,因此需要根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇合適的分散方法。
    (4)樣品室與進(jìn)樣系統(tǒng):樣品室通過進(jìn)樣系統(tǒng)與分散系統(tǒng)溝通。待測(cè)顆粒通過進(jìn)樣系統(tǒng)傳輸進(jìn)樣品室中,這一做法是為了保證顆粒分散均勻;
    (5)光電探測(cè)器:光電探測(cè)器分布在散射光經(jīng)過傅里葉透鏡的焦平面上,數(shù)量眾多,呈環(huán)狀排列,這是由于每個(gè)需要檢測(cè)的散射角均需安裝一個(gè)傳感器。分布在中心的傳感器收集末衍射光束,用來測(cè)定樣品的體積濃度;外圍探測(cè)器用來接收散射光的分布角度與能量并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這些電信號(hào)經(jīng)電腦測(cè)量與反演推算,可以獲得顆粒的粒度分布特征。
    目前主流納米粒度儀使用的探測(cè)器有兩種:PMT光電倍增管和APD雪崩式光子計(jì)數(shù)器。
    (6)計(jì)算機(jī)與成像系統(tǒng)。
    3 儀器操作與注意事項(xiàng)
    3.1 操作過程(使用方法)

    英國Malvern公司是最早涉足動(dòng)態(tài)散射測(cè)量技術(shù)的公司之一,目前在世界粒度儀生產(chǎn)市場(chǎng)上占有重要地位。下面以Malvern公司的招牌產(chǎn)品Mastersizer-2000(量程0.02-2000 μm)為例,簡(jiǎn)單介紹激光粒度儀器的操作方法:



    圖5 Mastersizer-2000


    圖5 Mastersizer-2000
    第一步:開機(jī)。先打開儀器主機(jī)和濕法進(jìn)樣器,再開電腦,運(yùn)行Mastersizer2000操作軟件;
    第二步:在樣品杯中加入適量的分散劑,打開進(jìn)樣泵(控制面板第一個(gè)顯示中間的on/off鍵),使分散液在樣品杯、進(jìn)樣泵、進(jìn)樣管和樣品池中循環(huán)流動(dòng),打開超聲分散器進(jìn)行超聲;
    第三步:在Mastersizer程序中點(diǎn)擊“文件”,“打開”,“新建”文件,進(jìn)入一個(gè)新的項(xiàng)目;
    第四步:?jiǎn)螕簟皽y(cè)量”中的“手動(dòng)”按鈕,進(jìn)入測(cè)量窗口;單擊“對(duì)光”測(cè)量背景,如果背景狀態(tài)正常,則無需更換分散劑;
    第五步:進(jìn)入“選項(xiàng)”菜單,新建樣品、分散劑名稱,進(jìn)行樣品和分散劑的折光率等光學(xué)參數(shù)設(shè)置;進(jìn)入“文檔”菜單,設(shè)置樣品名稱,點(diǎn)“確定”退出;
    第六步:?jiǎn)螕簟伴_始”測(cè)量背景,系統(tǒng)提示“加入樣品”時(shí),加入樣品至遮光度10%到控制的遮光度范圍內(nèi)(綠色區(qū)域),再次單擊“開始”或“測(cè)量樣品”,儀器進(jìn)行測(cè)量并保存測(cè)量編號(hào)和時(shí)間到指定的文件中;
    第七步:樣品測(cè)量結(jié)束后,可在“記錄”中選擇需要打印或閱讀的報(bào)告;
    第八步:測(cè)量結(jié)束后,抬起燒杯上方蓋子到兩個(gè)黑線中間,樣品池中的分散劑被自動(dòng)排出,將樣品杯中的被測(cè)溶液更換為純凈的分散劑,繼續(xù)啟動(dòng)進(jìn)樣泵進(jìn)行管道清洗,重復(fù)幾次清洗干凈;
    第九步:關(guān)機(jī)。先關(guān)閉電腦軟件,再關(guān)閉濕法進(jìn)樣器和儀器主機(jī)。
    3.2 影響因素
    (1) 分散劑選擇:激光粒度儀測(cè)試的重要條件之一就是試樣分散。選擇合適的分散劑能夠使液體表面張力顯著降低,破壞顆粒間的范德華力。它的主要作用是防止顆粒的沉降和凝聚,使顆粒呈良好分散態(tài)。分散劑理論上應(yīng)當(dāng)選擇透明的、光學(xué)性質(zhì)均衡、不與樣品發(fā)生反應(yīng)的液體。
    (2) 探測(cè)器分布:半徑越大的激光衍射環(huán),衍射角越大,光強(qiáng)越弱,如果漏檢很容易造成小顆粒信噪比不良。增加探測(cè)器數(shù)目可減少信號(hào)漏檢,提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。
    (3) 遮光度選擇:遮光度是指儀器探測(cè)到的樣品粉末分散濃度,是對(duì)任一時(shí)刻光束中樣品數(shù)量的度量。如果遮光度值太高,會(huì)出現(xiàn)多重散射而無法測(cè)量;如果遮光度值太低,則會(huì)檢測(cè)不到足夠的信號(hào),影響測(cè)量精度。對(duì)尺寸較小的顆粒,較低的遮光度(5%-10%)已經(jīng)可保證信噪比;對(duì)于尺寸不是很小的顆粒,遮光度可擴(kuò)大到5%-12%;如果加入樣品的粒徑分布較寬,可以采用15%-20%的遮光度以保證取樣的代表性。
    (4) 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇:為保證激光粒度儀校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和溯源性,需要依據(jù)一定的行業(yè)儀器校準(zhǔn)規(guī)范流程對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。
    (5) 掃描速度:不同廠家的儀器掃速從1次/秒到2000次/秒不定,掃描速度快可提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、重復(fù)性和穩(wěn)定性。干法分散中的噴射式和噴霧式要求更高的掃描速度;自由降落式分散的粒子只通過樣品區(qū)域一次,掃描速度可適當(dāng)降低。
    3.3 注意事項(xiàng)
    (1) 儀器需預(yù)熱15-30 min后方能開始使用;
    (2) 樣品要求:樣品測(cè)試前去掉有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽,并經(jīng)過充分分解,對(duì)于動(dòng)態(tài)散射測(cè)量的樣品,粒徑分布范圍越窄越好;
    (3) 背景正常標(biāo)準(zhǔn):光能量的遞減趨勢(shì)最大應(yīng)小于80,光強(qiáng)度為80%左右;
    (4) 儀器清潔標(biāo)準(zhǔn):保證整個(gè)分散進(jìn)樣與樣品池通道表面無顆粒、無懸濁液黏著,樣品池密封性良好、無滲漏現(xiàn)象。測(cè)量小顆粒或微弱散射材料時(shí),干凈的背景對(duì)測(cè)量結(jié)果的正確性十分重要。
    (5) 樣品分散情況要求良好,因此要選用合適的分散劑、充足的超聲時(shí)間與攪拌處理。
    (6) 采用穩(wěn)定的遮光度能夠保證良好的結(jié)果重現(xiàn)性。
    4 應(yīng)用
    4.1 地質(zhì)學(xué)研究

    沉積物粒度分布特征分析是探究沉積物特征、古環(huán)境與古氣候的第一步。在地質(zhì)學(xué)研究中,對(duì)沉積環(huán)境的判別分析對(duì)于含水層結(jié)構(gòu)研究、水文地質(zhì)識(shí)別和地下水流系統(tǒng)劃分有重要意義。進(jìn)行鉆孔取樣后對(duì)土壤樣品進(jìn)行粒度分析,可對(duì)顆粒的歷史沉積環(huán)境進(jìn)行判別與分析。


    圖6 鉆孔柱狀圖與粒度眾數(shù)曲線[7]


    圖6 鉆孔柱狀圖與粒度眾數(shù)曲線[7]
    利用激光粒度分析法對(duì)第四紀(jì)沉積環(huán)境進(jìn)行粒度分析,可獲得沉積物粒度頻率曲線、概率累計(jì)曲線和粒度眾數(shù)曲線等[7]。結(jié)合地質(zhì)與巖性等背景資料,通過對(duì)曲線變化情況分析可獲得研究區(qū)域第四紀(jì)沉積環(huán)境的解析。
    4.2 藥劑學(xué)研究
    藥劑的粒度控制在藥劑學(xué)研究中具有重要意義。以用于銀屑病和角化異常性皮膚病治療的阿維A(Acitretin)為例[8]。阿維A屬于第二代維A酸類衍生物,是一種難溶性藥物,其粒度大小會(huì)直接影響藥物的溶出速度,因此需要對(duì)其粒度進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制。

    采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀,采用水為分散介質(zhì),以濕法測(cè)量中間產(chǎn)品的粒度,考察了阿維A原藥粒度分布與粒徑統(tǒng)計(jì)的測(cè)量結(jié)果,并對(duì)其測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量時(shí)間、平衡時(shí)間、懸濁液放置時(shí)間和線性遮光比等方法學(xué)研究。


    圖7 阿維A原料藥的粒度分布圖[8]

    圖7 阿維A原料藥的粒度分布圖[8]


    表1 測(cè)量時(shí)間考察試驗(yàn)結(jié)果[8]

    表1 測(cè)量時(shí)間考察試驗(yàn)結(jié)果[8]


    5 不同粒度測(cè)試方法的總結(jié)與比較
    激光粒度分析法具有以下優(yōu)勢(shì):
    (1) 對(duì)測(cè)量樣品物態(tài)不設(shè)限制,固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)顆粒均可測(cè)量;
    (2) 測(cè)量范圍涵蓋亞納米到微米級(jí);
    (3) 動(dòng)態(tài)性能好、測(cè)量速度快;
    (4) 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好。
    除激光散射分析法之外,還有許多其他的粒徑表征方法,下表歸納了大量分析法,并就不同的表征方法作出比較。


    表2 粒度測(cè)量方法與比較

    表2 粒度測(cè)量方法與比較


    如上表中所示,各種粒度測(cè)量方法依據(jù)原理主要分為三類:基于激光散射原理的激光粒度分析、基于光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)的圖像分析法和篩析法。
    與圖像法分析相比:激光測(cè)試法實(shí)質(zhì)是對(duì)質(zhì)子質(zhì)量百分比進(jìn)行測(cè)量,圖像法則是對(duì)質(zhì)子的面積進(jìn)行測(cè)量。因此圖像法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)輕質(zhì)元素的有效測(cè)試,激光測(cè)試法對(duì)重元素的測(cè)試結(jié)果誤差則會(huì)偏大。圖像法的標(biāo)準(zhǔn)值偏差一般小于激光測(cè)試法,但重復(fù)性和測(cè)量速度均比不上激光測(cè)試法。
    與篩析法相比:激光測(cè)試法的測(cè)試設(shè)備與流程更加復(fù)雜,但取用測(cè)試樣本量更少、測(cè)量適用范圍更廣。篩析法則具有測(cè)試簡(jiǎn)單、應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)、具有較為理想的測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)。
    6 總結(jié)與展望
    激光粒度儀具有精度高、分析速度快、結(jié)果重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),在對(duì)粒徑分布范圍窄的顆粒測(cè)試表現(xiàn)尤為突出的優(yōu)勢(shì),在環(huán)境、考古、藥學(xué)、食品、材料科學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。
    圍繞激光粒度儀的研究主要集中在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分形理論研究。在經(jīng)典傅里葉變換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,為提高信號(hào)收集效率、改善儀器分辨率,一些先進(jìn)的粒度分析儀采用了設(shè)計(jì)更加精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)如雙鏡頭結(jié)構(gòu)、PIDS結(jié)構(gòu)等與一些關(guān)鍵技術(shù)如雙向偏振光補(bǔ)償技術(shù)聯(lián)用,分辨率與結(jié)果重現(xiàn)性得到進(jìn)一步提高。分形理論研究則針對(duì)不規(guī)則顆粒粒度分布,建立起分形維數(shù)與顆粒形貌特征之間的聯(lián)系。但目前對(duì)分形維數(shù)具體的求解公式和物理本質(zhì)研究較少,一些關(guān)鍵的技術(shù)如光學(xué)對(duì)中技術(shù)還缺乏進(jìn)一步的研究。
    未來的激光散射粒度技術(shù)還有很大的發(fā)展空間,理論探究與應(yīng)用拓展相輔相成、互相促進(jìn),相信在未來,激光粒度儀會(huì)在更多的應(yīng)用領(lǐng)域開辟出更廣闊的天地。
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    免責(zé)聲明:本文僅作交流學(xué)習(xí)之用,不作任何商業(yè)用途,若有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系刪除,謝謝理解!
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    文字是人類用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具。現(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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