“激光粒度儀法測(cè)定粉體粒度”教學(xué)實(shí)驗(yàn)的探討與改進(jìn)

高遠(yuǎn)飛，司朝霞，李 濤，趙夢(mèng)雨

(1. 南陽師范學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河南 南陽 473061；2.南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河南 南陽 473061)

材料化學(xué)是材料科學(xué)、化學(xué)和化工領(lǐng)域融合后形成的新興交叉學(xué)科，它是從化學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行材料的研究、制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)試與應(yīng)用的[1]。材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在所學(xué)的無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等化學(xué)課程的基礎(chǔ)上，注重要以材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)為核心進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、研究方案設(shè)計(jì)、具體實(shí)驗(yàn)步驟、儀器操作、數(shù)據(jù)分析等能力素質(zhì)的培養(yǎng)[2]。與四大化學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)所不同，材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)除了要求掌握基本實(shí)驗(yàn)操作以外，更重要的是鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的科學(xué)研究素養(yǎng)。

粒度分布的對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中粉體材料的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的作用。例如催化劑的催化效果、藥物的吸收速度以及水泥材料的凝結(jié)硬化等都與粉體粒度分布有關(guān)[3]。目前常用的粉體粒度檢測(cè)方法有激光法、篩析法、沉降法、氣體透過法以及顯微鏡直接觀察法等，其中激光法因具有分析檢測(cè)速度快，操作過程簡(jiǎn)便，分析精度較高以及分析樣品種類多樣等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。通過學(xué)習(xí)并操作"激光粒度儀法測(cè)定粉體粒度"實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到粒度相關(guān)的概念，并練習(xí)使用激光粒度儀進(jìn)行粒度分布的表征。但是需要注意的是，該實(shí)驗(yàn)的原理以及數(shù)據(jù)處理方法對(duì)于學(xué)生理解具有一定的難度，如何讓學(xué)生活學(xué)活用這種粒度測(cè)試方法并掌握原理成為了該實(shí)驗(yàn)題目教學(xué)的核心任務(wù)。

1 激光粒度儀測(cè)試原理教學(xué)與問題探討

1.1 測(cè)試原理

圖1 艾里斑分布及光強(qiáng)度分布示意圖

在激光粒度儀測(cè)試儀中，由激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)過濾波、擴(kuò)束、準(zhǔn)值等處理后成為平行光，該平行光的傳播過程中若沒有照射到顆粒，則在通過透鏡后會(huì)聚集為一點(diǎn)(焦點(diǎn))，該點(diǎn)所在的平面為焦平面，其后設(shè)置有光電探測(cè)器用于探測(cè)光強(qiáng)度信號(hào)。當(dāng)樣品池中通入待測(cè)試樣后，懸浮的顆粒粉體便會(huì)使平行激光發(fā)生散射。假設(shè)粉體顆粒為球形且粒徑相同，則散射光能按照艾里斑(Airy disc)顯示分布，即在透鏡焦平面上形成的圖樣是圓對(duì)稱的，中心是亮圓光斑，周圍是光強(qiáng)度迅速減弱的同心亮環(huán)和暗環(huán)，如圖1a所示。粉體粒徑越小，散射角越大，則艾里斑直徑也就越大；反則粉體粒徑越大，艾里斑直徑越小。當(dāng)不同粒徑的顆粒通過光束后各自產(chǎn)生的散射光發(fā)生疊加，在透鏡焦平面上的光能分布圖中包含了各種的粒度信息。光電接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，軟件根據(jù)米氏散射理論和反演計(jì)算就可以得出粒度分布結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作及應(yīng)注意的問題

首先需要進(jìn)行采樣獲取粉體樣品，通常實(shí)驗(yàn)教師都會(huì)準(zhǔn)備多種粉體粒度分布均勻的粉體材料，一般為購買的化學(xué)藥品(如氧化鋁、高嶺土、二氧化硅等粉體)。采樣后需要將粉體材料進(jìn)行均勻的分散在液體介質(zhì)當(dāng)中，因此如何選擇合適的分散介質(zhì)也成為了該測(cè)試實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。常用的分散介質(zhì)有蒸餾水、乙醇、丙酮等，這里教師可以引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)出分散介質(zhì)的選擇原則，例如：分散介質(zhì)不和樣品發(fā)生溶解、膨脹、絮凝、團(tuán)聚；不與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；分散介質(zhì)透明純凈無雜質(zhì)。隨后利用激光粒度儀的超聲波分散和循環(huán)一定時(shí)間后，便可得到均勻分散的懸浮粉體樣品。若粉體材料粒度較細(xì)時(shí)則需要加入分散劑(焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉等)，分散劑可加快"團(tuán)粒"分解為單體顆粒的速度，通常分散劑的用了為分散介質(zhì)質(zhì)量的2‰～5‰。

啟動(dòng)“自動(dòng)測(cè)試”或者“常規(guī)測(cè)試”，測(cè)試步驟依次是進(jìn)水、超聲消除氣泡、背景測(cè)試、遮光率調(diào)整、分散、測(cè)試、結(jié)果顯示、清洗。進(jìn)水后可讓學(xué)生觀察操作軟件中的背景峰高度，因?yàn)榉稚⒔橘|(zhì)中存在氣泡對(duì)測(cè)試光源產(chǎn)生了折射，需要通過超聲加循環(huán)功能進(jìn)行消氣泡。然后進(jìn)行背景測(cè)試，其目的是在系統(tǒng)測(cè)試前進(jìn)行清零，以消除樣品池、分散介質(zhì)等非樣品因素對(duì)散射光的影響。接下來開始加樣，這也是測(cè)試粒度分布的關(guān)鍵，要變加樣邊觀察遮光率，控制遮光率最佳范圍在15%～18%之間。最后，待樣品經(jīng)過一段合適時(shí)間分散以后，便可進(jìn)行結(jié)果測(cè)試。

1.3 限制遮光率的原因探討

遮光率是指被顆粒散射和吸收掉的光占光總量的百分比，是激光粒度測(cè)試過程中用來表示懸浮液光學(xué)濃度的一個(gè)量。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，最佳遮光率是復(fù)散射和代表性之間的平衡點(diǎn)，把復(fù)散射減小到最低，可以有效的保證樣品的代表性。通常遮光率過大，即樣品池懸浮液濃度過高，先被前方顆粒散射的光又會(huì)被后方顆粒進(jìn)行再次散射，散射角度可能增大，這種多次散射現(xiàn)象可能會(huì)造成顆粒粒徑測(cè)試結(jié)果偏小。

但學(xué)生普遍反映對(duì)這一規(guī)律難以理解，所以我專業(yè)教師在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)通常就會(huì)進(jìn)行反演法推導(dǎo)。如圖1a所示，若樣品池中遮光率范圍合適可認(rèn)為理想狀態(tài)下沒有發(fā)生復(fù)散射，這樣光電接收器得到的電信號(hào)便對(duì)應(yīng)每一個(gè)單獨(dú)顆粒的艾里斑的直徑數(shù)據(jù)。但若懸浮液濃度過高時(shí)，如圖1b和1c，兩個(gè)或者多個(gè)顆粒度艾里斑便會(huì)出現(xiàn)部分重疊，若重疊的區(qū)域較多并且超過光電接收器的辨識(shí)能力(即分辨率)以后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)直徑較大的艾里斑，而并不是兩個(gè)部分重疊的艾里斑。根據(jù)米氏散射理論，艾里斑的直徑與被測(cè)顆粒粒徑成反比，因此此時(shí)系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為樣品池對(duì)應(yīng)的是存在一個(gè)粒徑較小的顆粒，但實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)粒徑較大的顆粒，如此便會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小。此外，遮光率過小，樣品池中待測(cè)樣品顆粒數(shù)量較少，測(cè)試結(jié)果不能反映大量粉體的粒徑分布，不具有代表性和可信度。

2 結(jié)果分析時(shí)的難度及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

我校材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中使用的是百特儀器公司生產(chǎn)的BT-9300ST型號(hào)激光粒度儀，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可進(jìn)行兩種粒度的氧化鋁粉末材料的測(cè)定。測(cè)試的粗粉末中位徑(D50)為69.4 μm，體積平均徑為73.6 μm；細(xì)氧化鋁粉末中位徑(D50)為1.651 μm，體積平均徑為3.242 μm。在學(xué)生初次分析粒度分布曲線時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

(1)粒度分布頻度曲線反映的樣品中某一粒度值粉末占總粉末的百分比，但該曲線并不是直接由原始測(cè)試數(shù)據(jù)作出的。因?yàn)橄到y(tǒng)分析測(cè)試時(shí)是針對(duì)一些粒徑區(qū)間統(tǒng)計(jì)粉末在該區(qū)間內(nèi)所占的比例，這種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)作出的應(yīng)該是直方圖，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合才可以得到頻度分布曲線。

(2)累積曲線是頻度曲線的積分，通過累積曲線可以得到樣品粒度的典型值，如D50、D95等。通常工業(yè)生產(chǎn)和檢查中習(xí)慣使用頻度曲線來表征樣品的粒度分布。

(3)頻度曲線可以表達(dá)樣品中所占比例較高的粒度數(shù)值，還以分析出樣品的粒度分布范圍。若是單一粉體則通常出現(xiàn)單峰，對(duì)于混合粉末則可能出現(xiàn)多峰并可以對(duì)比每種粉末所占的比例。

根據(jù)以上分析，在教學(xué)過程中可創(chuàng)新性的讓學(xué)生制備不同粒度粉末的混合樣品進(jìn)行測(cè)試并觀察頻度曲線和累積曲線的變化。我校實(shí)驗(yàn)課程中便讓學(xué)生將上文中的粗、細(xì)兩種氧化鋁粉末按照質(zhì)量1:1的比例進(jìn)行球磨混合，然后重復(fù)進(jìn)行粒度測(cè)試，所得粒度分布曲線如圖2所示?？梢钥闯鰧?duì)應(yīng)在粗粉和細(xì)粉頻度曲線峰值位置出現(xiàn)了兩個(gè)峰，并且累積曲線上在50%～60%處出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)。通過這樣的探索性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)項(xiàng)目，可以加深學(xué)生對(duì)頻度曲線和累積曲線含義的理解。

圖2 氧化鋁粗粉、細(xì)粉混合樣品的粒度頻度和累積分布曲線

Fig.2 Particle size frequency and cumulative distribution curve of alumina coarse powder and fine powder mixed sample

3 結(jié)語

針對(duì)材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中的“激光粒度儀法測(cè)定粉體粒度”實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于測(cè)試原理理解不透徹，從而忽略一些操作細(xì)節(jié)并分析測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。通過與學(xué)生共同實(shí)驗(yàn)以及對(duì)問題的仔細(xì)研究，分析了出現(xiàn)這些問題的原因，并提出了相應(yīng)的教學(xué)方法和改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過艾里斑光強(qiáng)度分布模型，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到當(dāng)遮光率過高時(shí)艾里斑會(huì)形成重疊，結(jié)合米氏散射理論進(jìn)行反演推算可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小，因此控制合適的遮光率對(duì)準(zhǔn)確客觀的獲得粒度分布結(jié)果是至關(guān)重要的。在數(shù)據(jù)分析時(shí)可添加探索實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過讓學(xué)生測(cè)試混合粉體的粒度分布曲線，從而加深對(duì)頻度分布和累積分布曲線的理解。在以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的探討和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，可將該實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)改變?yōu)樘剿餮芯啃詫?shí)驗(yàn)，也可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性和嚴(yán)謹(jǐn)性的科學(xué)素養(yǎng)。