激光粒度儀測定錳酸鋰粒度的條件試驗

于曉微，付春明，張曉波，張春麗

（中海油天津化工研究設計院，天津300131）

激光粒度儀作為測量粉體粒度大小的儀器具有測試速度快、重復性好、準確性好、操作簡便的特點［1］。其工作原理是根據光的散射這一物理現象測試樣品的粒度分布，顆粒越大產生的散射光的θ角就越小；顆粒越小產生的散射光的θ角就越大。這樣，在不同的角度上測量散射光的強度就可以得到樣品的粒度分布。錳酸鋰（LiMn2O4）由于具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優點成為理想的動力電池正極材料，而錳酸鋰顆粒粒度的大小直接影響其電化學性能，因此粒度的測定在錳酸鋰的研制中是非常重要的一個環節。筆者應用馬爾文激光粒度儀（MS2000），從遮光度、攪拌泵轉速、超聲強度以及超聲時間等幾個方面，對錳酸鋰樣品粒度的測定條件進行考察試驗，分析了這幾個因素對錳酸鋰樣品粒度測定的影響，選擇了一個合適的測定條件。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及原料

MS2000型馬爾文激光粒度儀。錳酸鋰樣品，由中海油天津化工研究設計院研制。

1.2 實驗方法

采用馬爾文激光粒度儀的濕法粒度測量［2］中的手動方式，選擇好樣品的光學特性參數，輸入樣品名稱等信息，然后設定分散條件：攪拌泵的轉速、超聲強度及時間等。先用一次去離子水進行背景測量，然后依據提示加入樣品：稱取混合均勻的試樣約0.5 g置于50 mL小燒杯中，加入10～20 mL一次去離子水進行預分散，攪拌均勻后轉入裝有800 mL一次去離子水的1 L樣品槽中至合適的遮光度后進行樣品測量，系統自動完成結果計算并保存計算結果。

2 實驗結果分析

2.1 遮光度對粒度測定的影響

根據錳酸鋰的性質，進行粒度測量時分散介質為一次去離子水即可，且不需要加入添加劑。筆者另外從遮光度、攪拌泵轉速、超聲強度及超聲時間幾個方面進行測量條件試驗。

遮光度是表示分散介質中所含樣品數量多少的一種度量。激光法測量粒度時，懸浮液中顆粒濃度太高，顆粒數目太多，經激光照射后易發生多重散射，導致測試結果偏小；也可能使顆粒間碰撞機會增大，發生團聚，導致測試結果偏大。反之懸浮液中顆粒濃度太低，雖然復散射現象得到緩解，但信噪比下降，缺乏代表性。所以在粒度分布測量過程中要選擇合適的遮光度。

馬爾文激光粒度儀推薦室溫最佳遮光率在10%～15%，而錳酸鋰樣品為黑色粉末，粒度比較小，當遮光度比較大時，系統中循環的樣品量比較多，系統的清洗費時費力。在對幾組樣品在不同遮光度條件下進行測量時（見表1）發現，當遮光度為3%、5%、10%時其 d（0.5）基本一致，RSD 均小于 1，符合測量的誤差要求。綜合考慮樣品的代表性及系統中循環的樣品量，在測量中選擇遮光度為5%左右。

表1 遮光度對樣品粒度測定的影響

2.2 攪拌泵轉速對粒度測定的影響

采用濕法分散技術分散樣品。將樣品加入到分散介質中后，系統通過機械泵的攪拌使樣品分散開，然后在系統中進行循環。在粒度測定時，如果泵轉速太大，中心會形成漩渦，容易攪進氣泡從而影響測定結果，另外泵速高也有可能引起樣品產生新的團聚，造成測量結果不準確；如果泵轉速太小，大顆粒樣品容易沉在樣品池的底部無法進入到檢測池中，使測試結果偏小，也可能由于樣品分散不充分，使測量結果偏大。

取幾組樣品分別在攪拌泵轉速為1 800、2 100、2 400、2 700 r/min條件下進行測量，測量結果如表2所示。由表2可知：攪拌泵轉速在較大范圍內對錳酸鋰的粒徑分布影響不大。但從d（0.5）可以看出：泵速為2 400 r/min條件下測得的粒徑比較小，樣品分散效果好。

表2 攪拌泵轉速對樣品粒徑測定的影響

2.3 超聲強度和超聲時間對粒度測定的影響

由于大多數顆粒樣品中含有團粒或凝聚，而激光衍射技術不能分辨單顆粒和由單顆粒聚集成的團粒這兩者產生的散射，因此在測量前通常要將試樣分散成原始顆粒。而利用超聲波可以更好地幫助分散樣品［3］。

對于錳酸鋰樣品，通過超聲使樣品盡快分散開，可以避免樣品長時間停留在檢測系統中。在不超聲及分別超聲1、2、3 min條件下對樣品進行粒度測量，從測量結果看出RSD均小于3%，測量結果沒有顯著變化（見表3）。而設置超聲強度為3.00、5.00、8.00、11.00分別進行1 min超聲，樣品粒度測量結果亦變化不大（見圖1）。但通過分析d（0.5）可以看出，超聲后的結果較未超聲有降低的趨勢。為了達到更好的分散效果，同時縮短測量時間，選擇超聲強度8.00、超聲時間1 min為測量條件。

表3 超聲時間對樣品粒徑測定的影響

圖1 超聲強度對樣品粒徑測定的影響

2.4 數據重復性

采用遮光度為5%、超聲強度為8.00、超聲時間為1 min、攪拌泵轉速為2 400 r/min的測量條件對2種不同粒度的樣品進行測量，5次測定d（0.5）結果如表4所示。由表4可以看出，其RSD均小于1%，說明重復性很好，也證明了方法的可靠性。

表4 重復性實驗數據

3 結論

經過對各種測試條件的測量結果以及對不同粒度范圍的實驗物料的綜合考慮，選擇采用一次去離子水為分散劑、加入樣品超聲1 min、超聲強度為8.00、攪拌泵轉速為2 400 r/min、遮光度為5%的測試條件進行粒度測量。通過重復性實驗可以看出，在此條件下用馬爾文激光粒度儀測量電池正極材料錳酸鋰的粒度數據重復性好，數據可信，方法可行。

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

［2］楊道媛，馬成良，孫宏魏，等.馬爾文激光粒度分析儀粒度檢測方法及其優化研究［J］.中國粉體技術，2002，8（5）：27-30.

［3］張天壤，張雪梅，于海斌.激光粒度儀測定超細氧化鋁粉體粒度的研究［J］.無機鹽工業，2009，41（2）：30-32.