二硫化鉬粒度分析穩(wěn)定性影響因素研究*

楊舒程 ，趙增兵 ，陳 波 ，孟炳楠 ，成蘭興

（1.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052；2.洛陽申雨鉬業(yè)有限責(zé)任公司，河南 欒川 470003）

MoS2是重要的固體潤滑劑，特別適用于高溫高壓下，也被譽為“高級固體潤滑油王”，適用條件廣。MoS2可以分散在潤滑脂、水等溶劑中，也可單獨使用，也可與樹脂調(diào)制成涂料作為各類金屬部件、陶瓷材料的表面處理劑。MoS2作為高檔固體潤滑材料廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、食品工業(yè)、防腐工程、石油化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。由于MoS2優(yōu)異的潤滑性能，國內(nèi)外科研人員一直進行著新型MoS2的合成及應(yīng)用研究[1,2]。MoS2的粒度是一項重要指標(biāo)，粒度大小和粒度分布及顆粒形狀對材料的性能或功能的發(fā)揮有很大影響[3]，粒度檢測和控制是提升MoS2粉體產(chǎn)品質(zhì)量非常重要的一環(huán)，但激光粒度測量方法受技術(shù)原理決定，測試結(jié)果易受測試方法和設(shè)備的影響[4]，正確選擇粒度測試方法是其中的關(guān)鍵。

顆粒粒度測試方法有很多，目前，應(yīng)用最廣泛的是激光散射法，此方法有測量范圍廣（通常為0.1～3500μm）、速度快、再現(xiàn)性好、可在線測量等特點，對粒度控制有著十分重要的作用[5]。粒度儀市場上主要有馬爾文、安捷倫、歐美克和百特等廠商[6]，針對馬爾文儀器的研究分析較多，然而鮮有對歐美克激光粒度儀的研究。曾有學(xué)者就粒度性能評價方法探討過歐美克激光粒度儀，文章指出對比國外進口儀器，歐美克激光粒度儀的結(jié)果更符合實際情況[7]。基于課題研究需求和研究條件，本文將以MoS2為樣品，選擇珠海歐美克儀器有限公司的TopSizer 激光粒度分析儀作為實驗分析設(shè)備展開研究。

1 實驗部分

1.1 環(huán)境條件

工作環(huán)境5～35℃，相對濕度低于85%RH。

1.2 儀器和材料

試驗所采用的儀器為國產(chǎn)歐美克公司的Top－Sizer 激光粒度分析儀，測量范圍為0.02～2000μm。

樣品為洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司提供的MoS2，其粒度大小處于儀器可測量范圍內(nèi)，去離子水和分散劑。

1.3 TopSizer 激光粒度測試原理

其測試原理為全量程米氏散射理論，利用顆粒對光的散射現(xiàn)象，根據(jù)散射光能的分布推算被測顆粒的粒度分布。當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當(dāng)時發(fā)生的散射稱為米氏散射，根據(jù)Mie 散射理論，介質(zhì)中微小顆粒對入射光的散射特性和散射顆粒的粒徑及相對轉(zhuǎn)折率、入射光的光強、波長、偏振度以及散射角有關(guān)。激光散射粒度儀通過對散射光的不同物理量進行測量與計算，從而得到粒徑分布[1]。

TopSizer 激光粒度測試采用紅藍雙光源設(shè)計，紅光主光源為進口氦-氖激光器，波長0.6328μm；并有半導(dǎo)體藍光輔助光源，波長0.466μm，極大地提高了對納米級顆粒及少量大顆粒的分辨力。

圖1 TopSizer 激光粒度分析儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the optical system of TopSizer laser particle size analyzer

1.4 試驗方法

首先，連接儀器、計算機、進樣器和打印機，打開儀器主機電源，預(yù)熱30min。按說明書把儀器調(diào)至樣品測試狀態(tài)。采用濕法自動化測試進樣方式，即將樣品直接溶解到分散介質(zhì)中測試。然后取一定量樣品直接溶解于蒸餾水中，并加入適量分散劑，充分?jǐn)嚢璩梢欢舛鹊膽覞嵋海瑴y試時向攪拌池中逐次添加配置好的懸濁液直至遮光率滿足試驗條件。

試驗結(jié)果以D50計，該指標(biāo)表示樣品的累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%，因此,D50也叫中位徑或中值粒徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲分散時間對MoS2 粒徑的影響

粒度分析過程中可以使用超聲波輔助分散，一般而言，超聲分散時間越久，樣品分散效果越好。而顆粒多次碰撞之后分散體系溫度升高，分子的布朗運動劇烈，雖然極不常見但過多的超聲波也會擊碎的藥物顆粒[8,9]。除了分離顆粒之外，超聲波時間過久還可以增加顆粒間碰撞的速率，導(dǎo)致顆粒聚集，測試結(jié)果偏大。所以應(yīng)測試超聲波的持續(xù)時間對粒度分布的影響，將遮光率控制在10%～20%內(nèi)，設(shè)定離心泵轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，分別設(shè)定超聲時間為0、0.5、1、2、3、4、5min，測試對應(yīng)的 D50數(shù)值，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲時間與D50 的關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the relationship between ultrasound time and D50

由圖2 可見，隨時間的增長，聚集的顆粒逐漸被分散，D50呈上升趨勢，于2min 以后趨于穩(wěn)定，因此,可取最佳超聲時間3min。

2.2 泵和攪拌速度對MoS2 粒徑的影響

標(biāo)配SCF-108A 循環(huán)進樣器，采用專利的燈籠頭下壓式水流循環(huán)回路設(shè)計，配備大功率精確自動控制攪拌電機，最高可達3500r·min-1的同時減少了氣泡和液體飛濺的產(chǎn)生，并具有高效的分散、清洗、排干能力。

激光粒度儀的循環(huán)泵和攪拌速度影響著樣品的分散程度，所選擇的條件應(yīng)該能夠在不引起夾帶空氣的情況下懸浮所有物質(zhì)。將遮光率控制在10%～20%內(nèi)，超聲分散3min，其他條件不變的情況下，分別設(shè)置循環(huán)泵轉(zhuǎn)速為 500、600、800、1000、1200、1600、2000、2400r·min-1，測定其對應(yīng) D50數(shù)值。

圖3 顯示了根據(jù)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速設(shè)置，樣品D50數(shù)值的變化。

圖3 轉(zhuǎn)速與D50 的關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between speed and D50

由圖3 可以看出，攪拌速率在1000r·min-1以上時結(jié)果達到了穩(wěn)定，在這一點上，所有的物質(zhì)正確地懸浮和分散。攪拌速率在2000r·min-1以下時，樣品沉降導(dǎo)致結(jié)果比預(yù)期小，而攪拌速率大于2000r·min-1時，可能是攪拌速度過高導(dǎo)致混入氣泡使測試結(jié)果比預(yù)期大，所以最佳的循環(huán)泵轉(zhuǎn)速為1000～2000r·min-1。

2.3 遮光率對MoS2 粒徑的影響

遮光率指被顆粒散射和吸收掉的光占光總量的百分比，是激光粒度測試中用來表示懸浮液光學(xué)濃度的一個量。對于給定濃度范圍內(nèi)的大多數(shù)粒度分布，粒度應(yīng)與濃度無關(guān)。遮光率的計算方法是原始光強I0與加入樣品后探測器中心點的光強Ii的差除以I0再乘以100%得到。

遮光率=（I0-Ii）/I0×100%

一般遮光率的范圍在10±5 之間。在實際粒度測試時，最佳遮光率是復(fù)散射和代表性之間的平衡點，即把復(fù)散射減到最小，才能保證樣品的代表性。為了這個目的，遮光率的最佳范圍與樣品的粒度有關(guān)：粒度越大，遮光率越大；粒度越小，遮光率越小。為了便于實驗操作，實驗設(shè)定離心泵轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，超聲分散3min，其他條件不變的情況下，啟動循環(huán)系統(tǒng)，逐次向循環(huán)攪拌池內(nèi)加入樣品溶液，測試遮光率為 5%、10%、15%、20%、25%左右時 D50值，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 遮光率與D50 的關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relationship between shading rate and D50

由圖4 可見，當(dāng)遮光率低于20%時，隨遮光率增大D50隨之增大，當(dāng)遮光率高于20%時，測得樣品的D50隨遮光率的增大而減小，當(dāng)遮光率在10%～20%間時，D50呈穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見適合的遮光率有利于保證測試的可靠性，遮光率太小可能導(dǎo)致樣品代表性不夠，遮光率太大可能導(dǎo)致重復(fù)散射，使測試結(jié)果變小。

2.4 重現(xiàn)性

重現(xiàn)性是指不同實驗室不同儀器測定結(jié)果之間的精密度。在上述最佳實驗條件下，取同一批次樣品，分別采用歐美克TopSizer 激光粒度分析儀和馬爾文Mastersizer 2000 激光粒度儀進行5 次重復(fù)測試，結(jié)果見表1。

表1 兩臺儀器分別測量同一樣品D50 的5 次數(shù)據(jù)Tab.1 Two instruments respectively measure 5 times data of the same sample D50

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 是標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值，在分析方法驗證中一般用于評價方法的精密度、重復(fù)性,當(dāng)RSD 值越小時精密度越高、重復(fù)性越好。這里的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 小于3%，顯示重現(xiàn)性良好[10]。

3 結(jié)論

隨著MoS2近些年的研究發(fā)展，粒度是其性能發(fā)揮的主要條件，準(zhǔn)確檢測其粒度顯得尤為重要。本實驗采用歐美克TopSizer 激光粒度儀分析，研究了當(dāng)設(shè)置超聲分散時間為3min、泵和攪拌速度為1000～2000r·min-1、遮光率 10%～20%時，儀器檢測 MoS2顆粒粒度結(jié)果較準(zhǔn)確，并用其它粒度分析儀對同一樣品進行了比對分析，結(jié)果顯示重現(xiàn)性良好。準(zhǔn)確測量有助于進一步研究粒度與MoS2性質(zhì)的關(guān)系，從而使其在各個領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。