周 敬,韓鳳清,羅重光,閆建平,劉志啟

(1.中國科學院鹽湖資源與化學重點實驗室,中國科學院青海鹽湖研究所,青海西寧 810008;2.中國科學院研究生院)

化工分析與測試

激光粒度儀測試阻燃劑級氫氧化鎂粒度分布＊

周 敬1,2,韓鳳清1,羅重光1,2,閆建平1,2,劉志啟1,2

(1.中國科學院鹽湖資源與化學重點實驗室,中國科學院青海鹽湖研究所,青海西寧 810008;
2.中國科學院研究生院)

建立了實用、準確和快速的阻燃劑級氫氧化鎂粉體粒度分布的測試方法。采用MS2000激光粒度分析儀研究了待測樣品質(zhì)量、泵轉(zhuǎn)速、分散時間、分散介質(zhì)、分散劑種類以及分散劑質(zhì)量濃度等因素對阻燃劑級氫氧化鎂粉體粒度分布測試結果的影響。適宜條件:以 700 mL水為分散介質(zhì),洗潔精為分散劑,分散劑質(zhì)量濃度控制在0.1～0.3 g/L,氫氧化鎂粉體樣品質(zhì)量范圍為 0.020～0.035 g,泵轉(zhuǎn)速為 1 400～2 000 r/min,超聲波分散時間為2～5 min,超聲波分散后立即測量。

激光粒度分析;阻燃劑;氫氧化鎂;分散

氫氧化鎂微細顆粒的尺寸大小和分布參數(shù)與顆粒的特性密切相關,同時也是氫氧化鎂阻燃劑的生產(chǎn)制備和應用中一個非常重要的指標。激光粒度分析儀對顆粒粒度的分析具有快速、準確、便捷、工作狀態(tài)可靠、重復性好的特點,因而得以迅速推廣使用。目前,粒度測定方法并沒有一個特定的通用標準,有的學者對各自行業(yè)所需粉體的粒度進行過研究[1-6],但用激光粒度儀測定阻燃級氫氧化鎂粒度分布的研究至今未見文獻報道。筆者采用Malvern Master Sizer 2000型激光粒度分析儀,對阻燃劑級(微米級)氫氧化鎂粉體粒度測量中的多個影響因素進行研究,確定了激光散射法測定氫氧化鎂粉體粒度分布的最佳參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

馬爾文激光粒度分析儀 (Master Sizer 2000);1 000 mL玻璃燒杯。放置 12 h以上的自來水,二次去離子水,無水乙醇,自配氫氧化鎂飽和溶液。粉體樣品來自美國 Huber公司,用途為阻燃劑。

1.2 試驗方法

為探討氫氧化鎂粉體粒度測試的影響因素,將改變參數(shù)用激光粒度分析儀做條件試驗。與氫氧化鎂粉體顆粒分散有關的因素主要有樣品質(zhì)量、分散介質(zhì)、泵轉(zhuǎn)速、超聲波分散時間、分散劑類型及質(zhì)量濃度等。

2 結果與討論

2.1 粉體樣品質(zhì)量對粒度測定結果的影響

以 700 mL水作分散介質(zhì),不加表面活性劑,稱量不同質(zhì)量氫氧化鎂粉體試樣,從 0.010 g以0.005 g遞增至 0.050 g,分別使用超聲波分散5 min,然后進行粒度測定,結果見表 1。

表1 樣品質(zhì)量對D50測定結果的影響

由粒度分布曲線看出,樣品質(zhì)量在 0.020～0.035 g時,D50變化不大。樣品質(zhì)量為 0.020,0.025,0.035 g時系統(tǒng)相對穩(wěn)定,粒度分布曲線平滑,信噪比較高。樣品質(zhì)量大于 0.040 g時,粒度分布曲線變寬。樣品量過少時,被測樣品系統(tǒng)不夠穩(wěn)定,遮光度僅在 5%左右,信噪比較低。故確定樣品質(zhì)量范圍在 0.020～0.035 g。不同粉體其適宜的樣品質(zhì)量范圍需要通過實驗驗證。

2.2 泵轉(zhuǎn)速對粒度測定結果的影響

Malvern激光粒度儀的攪拌器與泵組合在一起,泵轉(zhuǎn)速的確定是一個關鍵因素。分析樣品顆粒的分散是否完全均勻與泵轉(zhuǎn)速有很大關系。以水作分散介質(zhì),稱取 0.030 g左右的氫氧化鎂粉體試樣10份,改變泵轉(zhuǎn)速,分別超聲分散 5 min,然后進行粒度測定,結果見圖 1。由圖 1可見:泵轉(zhuǎn)速為1 400～2 000 r/min時,累積分布曲線幾乎全部重合達到穩(wěn)定。當泵轉(zhuǎn)速為 2 200～2 400 r/min時,分布曲線些微偏離,結果偏粗。一般說來過高的泵轉(zhuǎn)速易產(chǎn)生氣泡,氣泡粒徑明顯大于氫氧化鎂粉體顆粒粒徑,從而影響測試精度。

圖1 泵轉(zhuǎn)速與粒度累積分布曲線關系

2.3 超聲波分散時間對氫氧化鎂粒徑的影響

以 700 mL水作分散介質(zhì),選用泵轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,用內(nèi)置超聲波分散器分散不同的時間,然后進行粒度測定,D50隨超聲波分散時間的變化趨勢見圖 2。從圖 2可知:經(jīng)過超聲波震蕩后,試樣溶液細顆粒的分布含量遠高于未經(jīng)超聲波振蕩;持續(xù)超聲 2 min以后,氫氧化鎂粉體的粒徑趨于穩(wěn)定。因此,確定超聲波分散時間為 2～5 min,如果顆粒團聚劇烈,可適當加長超聲時間。

圖2 超聲波分散時間對氫氧化鎂粉體粒度的影響

2.4 粉體試樣經(jīng)超聲波分散后放置時間與粒度分布的關系

分散好的顆粒懸浮液要立即進行測試,不可放置太長時間,否則分散開了的顆粒會再次團聚,圖 3為放置時間與測得粒徑的關系圖。由圖 3可知:隨著粉體試樣溶液在樣品池中滯留時間的增長,粒徑有不斷增大的趨勢,粒度分布范圍亦有從窄到寬的變化趨勢。這是由于溶液中顆粒之間存在相互吸引作用,使部分分散的顆粒團聚在一起,顆粒粒徑增大;其次,隨著顆粒在溶液中靜止狀態(tài)時間的增長,顆粒將沉淀在樣品池底部。因此,粉體試樣在樣品池中經(jīng)超聲波分散后放置時間應盡量短,應盡快進行測量,得出樣品粒度分布曲線。

圖3 粉體試樣經(jīng)超聲波分散后放置時間與粒度分布的關系

2.5 分散介質(zhì)對氫氧化鎂粒徑的影響

選擇分散介質(zhì)的一般原則是分散介質(zhì)應該對被分散粉體有良好的浸潤作用,同時又要考慮到低成本、無毒、無害、無腐蝕性。有些時候為了降低粉體顆粒的沉降速度,還可以在分散介質(zhì)中加入增黏劑以增加體系的黏度[7]。在這里選用自來水、二次去離子水、氫氧化鎂飽和溶液和乙醇作為分散介質(zhì),采用不同分散介質(zhì)測得樣品的D50分別為 2.208,2.317,2.304,2.449μm,表明自來水對氫氧化鎂粉體的分散效果好于其他分散介質(zhì),測得的D50最小,并且粒度分布范圍較窄 (由粒度分析曲線看出)。

2.6 分散劑種類及質(zhì)量濃度對粒度測定結果的影響

粉體在水中通常是帶電的,加入具有同種電荷的表面活性劑后,由于電荷之間的相互排斥而阻礙了表面吸附,從而達到分散粉體的目的。分散劑使用最多的是表面活性劑,表面活性劑的類型主要有:陰離子表面活性劑、兩性表面活性劑、非離子表面活性劑、特殊類型的表面活性劑等[8]。試驗中選用非離子 Nonient P40、陽離子型十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、陰離子型六偏磷酸鈉及洗潔精為分散劑,分散劑種類對分散效果的影響見圖 4。圖 4結果表明:洗潔精的分散效果最好,粒度分布均勻;加入 Nodient P40、十六烷基三甲基溴化銨、六偏磷酸鈉所得曲線基本重合;十二烷基苯磺酸鈉不利于試樣的分散。

圖4 分散劑種類對試樣的分散效果

為了探討分散劑質(zhì)量濃度對粒度分布的影響,稱取 14 g洗潔精于 200 mL容量瓶中定容配制分散劑,以 700 mL水為分散介質(zhì),測量時依次加入 0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0 mL新配分散劑,超聲波分散 3 min,泵轉(zhuǎn)速為 1 600 r/min,測試結果見圖 5。由圖 5可以看出:少量的分散劑對D50影響不大,當分散劑使用量增大到 1 mL時,D50迅速減小,粒度分布范圍較窄 (由粒度分布曲線看出);隨著分散劑體積從 2 mL增加到 7 mL即分散劑質(zhì)量濃度從0.2 g/L增加到 0.7 g/L,D50呈現(xiàn)增加的趨勢,并且粒度分布范圍增寬,尤其是體積增大到 4 mL以后,原因可能是分散劑質(zhì)量濃度增大,產(chǎn)生較多泡沫,影響了粒度分布。總之分散劑的用量不宜過大,以洗潔精為分散劑,質(zhì)量濃度控制在 0.1～0.3 g/L為宜。

圖5 分散劑用量對粒度測定結果的影響

3 結論

通過改變測定阻燃劑級 (微米級)氫氧化鎂粉體粒度的多個影響因素,如分散介質(zhì)、超聲波分散時間、泵轉(zhuǎn)速等,設計條件實驗,利用 Malvern Master Sizer 2000型激光粒度分析儀進行測試,并對結果進行分析討論,得出結論如下:1)阻燃劑級氫氧化鎂粉體最佳樣品質(zhì)量范圍為 0.020～0.035 g,最佳超聲波振蕩時間為 2～5 min;2)粉體試樣經(jīng)過超聲波分散后宜立刻測試,否則易發(fā)生再次團聚,影響測試結果;3)阻燃劑級氫氧化鎂粉體比較適宜的分散劑是洗潔精,用洗潔精分散氫氧化鎂粉體時,最佳質(zhì)量濃度為 0.1～0.3 g/L;4)測試氫氧化鎂粉體時較適宜的泵轉(zhuǎn)速為 1 400～2 000 r/min,選用自來水作為氫氧化鎂粉體的分散介質(zhì)可以達到較好的分散效果,還可以節(jié)約成本。

[1] 陳南春.影響 OMEC激光粒度分析儀測試精確度的主要因素[J].桂林工學院學報,2000,4(2):203-205.

[2] ChristopherMarriott,Helen B MacRitchie,Zeng Xianming,et al.Development of a laser diffraction method for the determination of the particle size of aerosolised powder formulations[J].International Journal of Pharmaceutics,2006,326(1/2):39-49.

[3] 郭永彩,高潮,胡學東,等.微細顆粒粒度分析方法與測試技術[J].重慶大學學報:自然科學版,2000,9(5):100-103.

[4] 辜子英,陳偉凡,胡平貴,等.激光法測定稀土粉體粒度的影響因素研究[J].稀土,2004,25(2):13-15.

[5] Handoko Adi,Ian Larson,Peter Stewart.Laser diffraction particle sizing of cohesive lactose powders[J].Powder Technology,2007,179(1/2):90-94.

[6] 楊玉穎,張學文,趙紅,等.粒度分析樣品分散條件的研究[J].建筑材料學報,2002,6(2):198-201.

[7] 王惠玲.超細粉體粒度測試方法淺析[J].無機鹽工業(yè),2004,36(4):49-51.

[8] 李鳳生.超細粉體技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000:301-304.

M easurement of flame retardantmagnesium hydroxide particle size distribution by laser particle size analyzer

Zhou Jing1,2,Han Fengqing1,Luo Chongguang1,2,Yan Jianping1,2,Liu Zhiqi1,2
(1.Key Laboratory of Salt Lake Resources and Chem istry,Research Institute of Q inghai Salt Lake,Chinese Academy of Sciences,Xi′ning810008,China;2.Graduate University,Chinese Academ y of Sciences)

A practical,accurate,and rapid method for determination of particle size distribution of flame retardantmagnesium hydroxide was established.Factors that influence measurement of particle size of flame retardantmagnesium hydroxide powder,such as sample weight,pump speed,dispersing time,dispersingmedia,dispersant category,and dispersantmass concentration,were investigated by usingMS2000 laserparticle size analyzer.Suitable conditions formeasurement are as follows:with 700 mL water as dispersingmedium,with detergent as dispersant,mass concentration of detergent being controlled in 0.1～0.3 g/L,sample weight range of magnesium hydroxide powder in 0.020～0.035 g,pump speed in 1 400～2 000 r/min,the dispersing time in 2～5 min,and measuring at once after sonication.

laser particle size analysis;flame retardant;magnesium hydroxide;dispersion

TQ132.2

A

1006-4990(2010)03-0057-03

國家自然科學基金資助項目(40772079)。

2009-09-25

周敬 (1983— ),女,碩士研究生,主要從事粒度表征與測試方面的研究。

聯(lián)系方式:quietship@163.com