影响激光粒度仪检测稀土粒度分布的因素

      稀土材料的物理性能对其应用性能有着重要的影响，而颗粒的尺寸大小和分布参数与颗粒的特性密切相关，因此稀土粉体颗粒测试方法和测试技术是颗粒研究的一个重要方面。也是稀土产品物性指标控制中的关键技术内容。当前，测定颗粒粒度的方法和装置很多，但由于其对粒径测定的原理各不相同，因此对同一种物料用不同的方法测试，所得的结果可能也会不同。即使是对同一种物料用同一种方法，但由于操作者不同，也可能会得到相差较大的结果。激光粒度分析仪对颗粒粒度的分析具有快速、准确、便捷、工作状态可靠、重复性好的特点，因而得以迅速推广使用。同样，虽然仪器本身对测定结果的影响很小，但样品的分散条件、物料的性质以及操作条件的选择等，都对测定结果有很大的影响。

     1、粉体试样浓度对测定结果的影响

      激光粒度分析仪采用的是光散射法，它主要是测量散射光强及其空间分布，因此，颗粒浓度太高时应考虑多重散射影响。而由DLVO理论可知，悬浮液中的颗粒由于布朗运动发生碰撞聚沉，颗粒的碰撞频率是影响颗粒聚沉的直接因素，因而在测定粒度时，悬浮液中的颗粒浓度也必须考虑。同时，由于粉体颗粒尺寸大小的不同，单位重量的粉体其颗粒数是不同的，因此，并不能以一般的浓度来表示粒度测定时的浓度，而应以测定时的遮光比来表示。
以水作分散介质，配制不同浓度的碳酸铈、球磨氧化铈试样，超声分散3分钟，测定的粒度结果见图1、图2。

图 1碳酸铈遮光率与粒度测定值的关系

图 2球磨氧化铈遮光率与粒度测定值的关系

       由图1可见，碳酸铈粉体试样浓度较小时，所测得的粒径较小，当粉体浓度增大时，所测得的粒度增大，这是由于试样浓度太高，悬浮颗粒的相互碰撞频繁，颗粒间的粘结和团聚增加，从而使测量结果增大。但并不是试样浓度越小越好，因为浓度小到一定程度时颗粒数已大大减小，而太少的颗粒数会产生较大的取样及测量随机误差，致使样品不具有代表性。而由图2见到，球磨氧化铈粉体试样遮光率在30%以下时，粒度测定值重复性较好，当粉体浓度增大时，所测得的粒度值逐渐减小。由DLVO理论，胶体中当排斥力占优势并达到足以阻碍胶粒由于布朗运动而发生碰撞聚沉时，胶体处于稳定状态。此时球磨氧化铈粉体试样正是处于这种稳定状态，而多重散射的影响就体现出来 ，使得粒度测定值变小。

       2、超声分散时间对测定结果的影响

       超声分散时间对稀土粉体粒度的测定精确度会有影响。图3是结晶碳酸铈和氧化铈超声分散时间对粒度测定的影响情况。

图 3  分散时间与粒度测定的关系

       我们看到，分散时间少于2分钟时所测粉体颗粒较大，2—5分钟时的测试结果相差不大，5分钟以后，氧化铈的测试结果仍相差不大，而结晶碳酸铈的测试结果逐渐变小。这是由于超细粉体具有较高的比表面能，它能通过团聚来降低比表面能而达到稳定状态，这是一种软团聚，用适当的超声分散能打碎软团聚，从而能准确地测定其粒度，前2分钟的分散即是如此。有些团聚是在粉体的煅烧过程中形成的硬团聚，难以用超声分散粉碎，氧化铈就是这种情况。但是如果粉体颗粒结构比较松散，比如结晶碳酸铈，较易被超声波震动击碎，则不宜用超声波进行长时间分散，以免粉体试样颗粒经超声波分散后再次破碎，颗粒变小，导致测量误差。

       3、分散剂的选择对测定结果的影响

       分散剂的种类和浓度对测定结果也有一定影响。图4表示几种分散剂对氧化钇分散效率的影响。从中可以看出由于所用分散剂种类的不同，其分散效率也随之变化。其中，六偏磷酸钠具有最好的分散效率。

图 4分散剂的分散效果

      图5表示分散剂六偏磷酸钠的浓度对氧化钇测定结果的影响。从中可以看到，选择分散剂浓度在0.1—0.2%左右进行测定较好。

图 5 分散剂浓度对粒度测定的影响

     5、试样粉体形态对测定结果的影响

      在理论分析和设计计算中，往往将颗粒看作球形。由于球形粒子无方向性，这样可以简化分析过程，且实验结果也容易重合。但实际生产过程中的颗粒，其几何形状一般是不规则的，这也常是理论计算与实际过程不相符的原因之一。激光粒度仪是采用光散射法的原理来测定颗粒粒度的，粉体颗粒的形状对粒度测量结果有着重要影响。因为对于非球形颗粒，在不同方向上的光散射效应是不同的，测量的结果粒度分布宽度会大于实际宽度，连续测量的结果误差相对也要大些，表一是不同形状粉体颗粒的测定结果。由电镜照片看到，球磨氧化铈是单分散的球形状态，氧化铈是有棱边的结晶体，而碳酸铈是像花朵状的结晶体。

表一  不同形状粉体颗粒的测定结果

       因此，从试样连续多次测量结果的重复性和均方差的结果来看，可以大致推断试样的球形状态如何。如果均方差值在0.05以下，可以推断试样差不多是单分散的球形状态，如果均方差值大于0.05，则试样的形状会有多种形态，因而重复性不佳，如果均方差值大于1，且连续多次测量结果相差较大，那么试样可能具有大小不一的各种不规则形状。

   小结：激光粒度分析过程中应控制粉体浓度在遮光比5—20%为宜。选择合适的分散剂及相应的分散时间，无机粉体颗粒以六偏磷酸钠作分散剂为佳，分散时间为2—5分钟。测定前应了解颗粒的形态和颗粒结构状况，考虑其对测定的影响程度。