黃寧，周湘玲，張永剛
(中化建常州涂料化工研究院，江蘇常州213016)
摘要:介紹了涂料工業(yè)中常用的幾種測量粒度及粒度分布的方法及適用范圍，并從幾個(gè)方面闡述了激光衍射粒度測試法作為一種新穎的顆粒粒度測量技術(shù)在涂料工業(yè)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:涂料;粒徑;粒度測試;激光粒度儀;粒度
0引言
涂料是一種組成復(fù)雜的產(chǎn)品，從其外觀看，既有固體狀的粉末涂料，也有以溶劑性樹脂或水性樹脂為基料加入各種固體粉料混合而成的液態(tài)涂料。不論是作為原料使用的各種粉末狀固體或液態(tài)物質(zhì)，還是作為最終產(chǎn)品的粉末涂料或液態(tài)涂料，其所含顆粒的粒度及粒度分布對(duì)涂料及相關(guān)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量都有著重要的影響，已成為涂料應(yīng)用領(lǐng)域中非常受關(guān)注的一項(xiàng)指標(biāo)。但由于顆粒本身形狀的復(fù)雜性，使得粒度的分析及其表征涉及諸多理論和測試方法。為了不斷滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展中對(duì)顆粒粒度測試的需要，已經(jīng)發(fā)展了許多基于不同工作原理的顆粒粒度測試儀器，它們各有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。其中基于光散射原理制造的激光粒度儀，以其突出的優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，并在顆粒粒度測試領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。
本文就目前涂料工業(yè)中常用的粒度及粒度分布的測試方法做一簡介，并著重介紹了激光衍射粒度測試法在涂料工業(yè)中的應(yīng)用。
1粒度、粒度分布及粒徑的概念
顆粒的大小稱為粒度。一般顆粒的大小又以直徑表示，故也稱為粒徑。用一定方法反映出一系列不同粒徑區(qū)間顆粒分別占試樣總量的百分比稱為粒度分布。由于實(shí)際顆粒的形狀通常為非球形的，難以直接用直徑表示其大小，因此在顆粒粒度測試領(lǐng)域，對(duì)非球形顆粒，通常以等效粒徑(一般簡稱粒徑)來表征顆粒的粒徑。等效粒徑是指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí)，就用該球形顆粒的直徑代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。由此可知，粒徑是表征單個(gè)顆粒大小的參數(shù)，對(duì)非球形顆粒它是一個(gè)相對(duì)值。而粒徑分布是表征顆粒群(有許多個(gè)顆粒組成)的參數(shù)，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，反映了組成顆粒群中所有顆粒大小的規(guī)律。根據(jù)不同的測試方法，等效粒徑可分為等效篩分徑(篩分法的粒徑)、等效沉速徑(沉淀法的粒徑)、等效投影面積徑(顯微鏡法的粒徑)、等效體積徑(光學(xué)法的粒徑)等。需注意的是基于不同物理原理的各種測試方法，對(duì)等效粒徑的定義不同，因此各種測試方法得到的測量結(jié)果之間無直接的對(duì)比性[1]。
2粒度及粒度分布的測試方法
目前在涂料工業(yè)中常用的測試粒度及粒度分布的方法主要有刮板細(xì)度法、篩分法、顯微鏡法、沉降法和激光衍射光學(xué)法等。
2.1刮板細(xì)度法
測試時(shí)將液態(tài)試樣滴入帶有從0到若干微米深的楔形溝槽的磨光平板(也稱刮板細(xì)度計(jì)，槽邊有刻度線標(biāo)明該處溝槽的深度)的溝槽的最深部位，然后用刮刀以適宜的速度把液體試樣拉過溝槽的整個(gè)長度，立即觀察溝槽中顆粒均勻顯露的位置，測定值是以微米表示的液體試樣中最大的固體顆粒的粒度。該法操作簡單，清洗容易，測試速度快，仍是目前涂料生產(chǎn)和使用過程中，控制和檢驗(yàn)液體涂料及相關(guān)產(chǎn)品最大粒度的首選方法。該方法的缺點(diǎn)是測量精度不高，不能測試顆粒的粒度分布。
2.2篩分法
用一組篩孔大小不同的篩子將被測試樣分成若干部分，留在每個(gè)篩面上的粒徑較粗的不通過量稱為篩余量，通過該篩孔粒徑較細(xì)的通過量稱為篩過量，記錄下各個(gè)篩子上的篩余量，即可求得被測試樣以質(zhì)量表示的粒徑分布。在涂料工業(yè)中所有的粉末狀涂料和原料以前多采用此方法測定粒徑和粒徑分布。這種方法操作簡單，設(shè)備成本低，適用于測量精度要求不高，粒徑較大(≥38μm[1])顆粒的測試。隨著超細(xì)化顆粒物的問世，這種測試方法已不能滿足發(fā)展的需要。
2.3顯微鏡法
測試時(shí)將試樣涂在玻璃載片上，采用成像法直接觀察和測量顆粒的平面投影圖像，從而測得顆粒的粒徑。這是一種最基本也是最實(shí)際的測量方法，常被用來作為對(duì)其他測量方法的校驗(yàn)和標(biāo)定。但這類儀器價(jià)格昂貴，試樣制備繁瑣，測量時(shí)間長，若僅測試顆粒的粒徑，一般不采用此方法。但若既需要了解顆粒的大小還需要了解顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)狀況以及表面形貌時(shí)，該方法則是最佳的測試方法。
2.4沉降法
該測試方法是基于不同大小的顆粒在液體中的沉降速度不同這一基本原理來測量顆粒的粒徑。即將試樣放在某種液體中制成一定濃度的懸浮液，懸浮液中的顆粒在重力或離心力的作用下將發(fā)生沉降，沉降速度與粒徑的關(guān)系用Stockes定律描述�；诔两翟淼臏y粒度儀有多種結(jié)構(gòu)型式，該法在涂料和陶瓷等工業(yè)中是一種傳統(tǒng)的粉體粒徑測試方法。已制定的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO3262ExtendersforPaintSpecificationsandMethodsofTest)對(duì)涂料中常用的21種體質(zhì)顏料的粒度分布測試方法，測試原理均基于沉降法。
2.5激光法
該法是基于顆粒能使光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象來測量顆粒的粒徑及粒徑分布的。即來自光源的光束穿過含有待測顆粒的器皿，在光與顆粒的相互作用下產(chǎn)生光的散射，用多元檢測器測量顆粒在各個(gè)角度的散射光信號(hào)，然后用合適的光學(xué)模型和數(shù)學(xué)程序?qū)⑸⑸湫盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，就可得到按試樣的體積比計(jì)，以不同粒度范圍表示的等效球體體積粒徑分布。按儀器接受的散射信號(hào)可以分為衍射法、角散射法、全散射法、光子相關(guān)光譜法等。其中以激光為光源的激光衍射散射式粒度儀(習(xí)慣上簡稱此類儀器為激光粒度儀)發(fā)展最為成熟，在顆粒測量技術(shù)中已經(jīng)得到了普遍的采用。與上述各種方法相比，該方法的特點(diǎn)是:(1)適用性廣，既可測粉末狀的顆粒，也可測懸浮液和乳濁液中的顆粒;(2)測試范圍寬，國際標(biāo)準(zhǔn) ISO13320-1ParticleSizeAnalysis2LaserDiffractionMeth2ods2Part1:GeneralPrinciples 中規(guī)定激光衍射散射法的應(yīng)用范圍為0.1～3000μm;(3)準(zhǔn)確性高，重復(fù)性好;(4)測試速度快;(5)可進(jìn)行在線測量。在涂料工業(yè)中該法也已得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同，某些涂料及相關(guān)產(chǎn)品已制定了相應(yīng)的測試方法標(biāo)準(zhǔn)，如，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310—13CoatingPowders2Part13: Par2ticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T3744云母珠光顏料。
3測試儀器和測試方法
本文所述實(shí)例采用SYMPATECHELOS/OASIS德國新帕泰克干濕二合一激光粒度儀測量顆粒的粒度及粒度分布。是基于激光衍射的測試原理，測量范圍0.1～875μm。對(duì)粉末狀試樣，選用干法直接測試;對(duì)乳化液和懸浮液等液態(tài)試樣，選用濕法直接測試試樣中顆粒的最原始狀態(tài)的粒度及粒度分布。
4激光粒度儀在涂料工業(yè)中的應(yīng)用
4.1粒度及粒度分布的測定
粒徑及粒徑分布的測定是激光粒度儀最普遍的用途。對(duì)粉末涂料，已發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310—13CoatingPowders2Part13:ParticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction規(guī)定了用激光衍射法直接測量粉末涂料等效球體粒徑分布的方法。實(shí)際上該測試方法也適用其他干粉狀試樣的粒度測試。依照此測試方法曾對(duì)粉末涂料、二氧化鈦、鐵紅、珠光顏料、磷酸鋅、硫酸鋇、鋅粉等多種粉狀試樣進(jìn)行了粒度分布的測試。圖1為某種粉末涂料的粒度分布曲線(激光粒度儀還有以表格法、函數(shù)法表示的粒度分布以及其它一些粒徑參數(shù)值，在此從略)。
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圖1粉末涂料的粒度分布圖
從圖1的數(shù)據(jù)可知，顆粒粒徑比例最高的在52.50～62.50μm范圍內(nèi)，占顆�？傮w積的12.28%;粒徑小于40.73μm的顆粒占總體積的50%。經(jīng)儀器計(jì)算得到體積平均粒徑(VMD)=43.04μm;表面積平均粒徑(SMD)=25.18μm。
已有文章和專著論述了粉末涂料的粒度及粒度分布對(duì)其施工、貯存、運(yùn)輸、回收等的影響結(jié)果，并規(guī)定了適宜于不同施工方式的粒度分布范圍[3]。對(duì)該粉末涂料的測試結(jié)果進(jìn)行分析，其粒度分布符合靜電噴涂的要求。
本文也對(duì)水性顏料漿、乳液和乳膠涂料等水性涂料體系及相關(guān)產(chǎn)品的顆粒粒度進(jìn)行了測定。圖2為水分散型聚氨酯樹脂的粒度分布曲線，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，顆粒粒徑比例最高的在0.36～0.44μm范圍內(nèi)，占顆粒總體積的11.28%;粒徑小于0.33μm的顆粒占總體積的50%。VMD=0.40μm;SMD=0.27μm。
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圖2水性聚氨酯樹脂的粒度分布圖
目前對(duì)水分散型樹脂的粒度及粒度分布已成為合成這類樹脂時(shí)應(yīng)測試的主要指標(biāo)之一，據(jù)此數(shù)據(jù)可判斷分散程度及是否穩(wěn)定。
用激光粒度儀進(jìn)行粒度測試時(shí)，分散條件的選擇對(duì)測試結(jié)果影響很大。干法測試時(shí)，分散壓力是主要的影響因素，對(duì)極性較強(qiáng)、粒度較小的顆粒，一般選擇較大的分散壓力，反之亦然。但對(duì)某些特殊形狀的粉狀試樣如片狀的珠光顏料，就不能選擇較大的分散壓力，否則會(huì)在測試過程中破壞試樣本身的形狀，也就不能測得試樣真實(shí)的粒度及粒度分布。濕法測試時(shí)，蠕動(dòng)循環(huán)速率、超聲強(qiáng)度、分散時(shí)間、靜止時(shí)間等都會(huì)影響試樣的分散性。一般較長的超聲分散時(shí)間、較大的超聲強(qiáng)度有利于試樣分散，但對(duì)某些攪拌后易于起泡的試樣如乳液類試樣，就應(yīng)選擇較低的超聲強(qiáng)度、較短的分散時(shí)間并且攪拌后的停留時(shí)間應(yīng)長些。此外被測試樣的加樣量應(yīng)使測試時(shí)的遮光率(obscuration， opticalconcentration)控制在一定范圍內(nèi)，干法一般在1%～15%，最好在7%～10%[2];濕法一般在20%～30%[3]。對(duì)一個(gè)具體的樣品，每次測試的遮光率應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)相對(duì)固定�？傊畱�(yīng)根據(jù)試樣的特點(diǎn)，設(shè)置儀器的測試條件，通過試驗(yàn)確定最佳的測試參數(shù)，得到能夠準(zhǔn)確表征顆粒粒度及粒度分布的測量結(jié)果。
原則上涂料中的所有顆粒物都可采用激光粒度儀測量其粒度和粒度分布。但受儀器測試范圍的限制，對(duì)超細(xì)顆粒(如納米材料)采用激光衍射散射式粒度儀已不能準(zhǔn)確測量其粒徑，應(yīng)選用根據(jù)光子相關(guān)光譜技術(shù)制備的儀器測量(顆粒粒度在 1nm～1μm)。此外目前生產(chǎn)的激光粒度儀受設(shè)備材質(zhì)限制，分散介質(zhì)只能用水或乙醇的水溶液，因此在涂料工業(yè)中只能對(duì)水性體系的涂料及相關(guān)產(chǎn)品選用濕法直接測試，對(duì)溶劑型涂料及相關(guān)產(chǎn)品尚不能直接測試。
4.2質(zhì)量控制
在涂料工業(yè)中常遇到同一配方在不同廠或同一廠不同批次的產(chǎn)品質(zhì)量不同的情況，以及產(chǎn)品在貯存期間質(zhì)量發(fā)生變化的問題。這些情況用傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法往往不易察覺，而用激光粒度法有助于解決這類問題。圖3為同一廠家制造的三批組成及生產(chǎn)工藝相同的珠光顏料的粒徑分布圖，其中樣品A為參比樣。由圖3分布曲線可知，樣品B與樣品A的粒徑分布基本相同，而樣品C的粗粉含量較多。從廠家反饋的信息也證實(shí)，樣品B的使用效果滿足要求，而樣品C因含有較多的粗顆粒，使用效果不及樣品B。
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圖3同一廠家生產(chǎn)的三批珠光顏料的粒度分布圖
激光粒度法用于質(zhì)量控制時(shí)，首先要確定具有良好性能且適用于既定用途的材料，以它定出標(biāo)準(zhǔn)的粒度分布圖表，然后將各生產(chǎn)批次樣品的圖表與之比較，以達(dá)到快速質(zhì)量控制的目的。
4.3分散劑的選擇
分散劑是添加了固體粉料的涂料及相關(guān)產(chǎn)品(如著色涂料和顏料漿等)體系中不可缺少的添加劑之一。若分散劑選擇不當(dāng)或用量不合適，會(huì)造成顏填料不能分散到需要的細(xì)度，分散體系不穩(wěn)定，從而影響涂料的使用性能。如以二氧化鈦顏料漿中分散劑的選擇為例，借助激光粒度儀的測試結(jié)果確定分散劑的品種及用量。表1列出了試驗(yàn)時(shí)選用的幾種分散劑及用量的配比。試驗(yàn)時(shí)除了改變分散劑的品種及用量外，其余組分的品種和用量以及試驗(yàn)條件完全相同。
表1分散劑的品種和用量配比
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表2分散劑品種與涂膜光澤的關(guān)系
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進(jìn)一步對(duì)分散劑C的用量進(jìn)行試驗(yàn)，圖5為粒徑分布曲線;圖6為分散劑C用量與顏料漿黏度的關(guān)系圖;圖7為分散劑C用量與涂膜光澤的關(guān)系圖。從圖5可觀察到015%的用量，還不能使顆粒分散至需要的粒徑，且顏料漿的黏度偏大(見圖 6)，涂膜的光澤偏低(見圖7)。1.0%及以上的用量可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，已達(dá)到理想的分散效果。綜合考慮各種因素后確定分散劑C的用量為1.5%。
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圖4三種分散劑的粒徑分布圖
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圖5分散劑C不同用量時(shí)的粒徑分布圖
6結(jié)語
顆粒的粒度及粒度分布是顆粒物在生產(chǎn)和使用中非常重要的數(shù)據(jù)，可用來確定產(chǎn)品的等級(jí)和質(zhì)量，也可為制定科研和生產(chǎn)方案提供依據(jù)。激光衍射粒度測試法作為一種新穎的顆粒粒徑測量技術(shù)在涂料工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。本文僅列出了其在涂料工業(yè)中的幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例�？梢灶A(yù)見隨著激光粒度儀的不斷發(fā)展與改進(jìn)，若能實(shí)現(xiàn)溶劑型涂料及相關(guān)產(chǎn)品粒度及粒度分布的直接測量、在線測試，相信它在涂料工業(yè)中的應(yīng)用將更加深入廣泛。
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圖6分散劑用量與顏料漿黏度的關(guān)系
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圖7分散劑用量與涂膜光澤的關(guān)系
(中化建常州涂料化工研究院，江蘇常州213016)
摘要:介紹了涂料工業(yè)中常用的幾種測量粒度及粒度分布的方法及適用范圍，并從幾個(gè)方面闡述了激光衍射粒度測試法作為一種新穎的顆粒粒度測量技術(shù)在涂料工業(yè)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:涂料;粒徑;粒度測試;激光粒度儀;粒度
0引言
涂料是一種組成復(fù)雜的產(chǎn)品，從其外觀看，既有固體狀的粉末涂料，也有以溶劑性樹脂或水性樹脂為基料加入各種固體粉料混合而成的液態(tài)涂料。不論是作為原料使用的各種粉末狀固體或液態(tài)物質(zhì)，還是作為最終產(chǎn)品的粉末涂料或液態(tài)涂料，其所含顆粒的粒度及粒度分布對(duì)涂料及相關(guān)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量都有著重要的影響，已成為涂料應(yīng)用領(lǐng)域中非常受關(guān)注的一項(xiàng)指標(biāo)。但由于顆粒本身形狀的復(fù)雜性，使得粒度的分析及其表征涉及諸多理論和測試方法。為了不斷滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展中對(duì)顆粒粒度測試的需要，已經(jīng)發(fā)展了許多基于不同工作原理的顆粒粒度測試儀器，它們各有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。其中基于光散射原理制造的激光粒度儀，以其突出的優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，并在顆粒粒度測試領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。
本文就目前涂料工業(yè)中常用的粒度及粒度分布的測試方法做一簡介，并著重介紹了激光衍射粒度測試法在涂料工業(yè)中的應(yīng)用。
1粒度、粒度分布及粒徑的概念
顆粒的大小稱為粒度。一般顆粒的大小又以直徑表示，故也稱為粒徑。用一定方法反映出一系列不同粒徑區(qū)間顆粒分別占試樣總量的百分比稱為粒度分布。由于實(shí)際顆粒的形狀通常為非球形的，難以直接用直徑表示其大小，因此在顆粒粒度測試領(lǐng)域，對(duì)非球形顆粒，通常以等效粒徑(一般簡稱粒徑)來表征顆粒的粒徑。等效粒徑是指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí)，就用該球形顆粒的直徑代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。由此可知，粒徑是表征單個(gè)顆粒大小的參數(shù)，對(duì)非球形顆粒它是一個(gè)相對(duì)值。而粒徑分布是表征顆粒群(有許多個(gè)顆粒組成)的參數(shù)，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，反映了組成顆粒群中所有顆粒大小的規(guī)律。根據(jù)不同的測試方法，等效粒徑可分為等效篩分徑(篩分法的粒徑)、等效沉速徑(沉淀法的粒徑)、等效投影面積徑(顯微鏡法的粒徑)、等效體積徑(光學(xué)法的粒徑)等。需注意的是基于不同物理原理的各種測試方法，對(duì)等效粒徑的定義不同，因此各種測試方法得到的測量結(jié)果之間無直接的對(duì)比性[1]。
2粒度及粒度分布的測試方法
目前在涂料工業(yè)中常用的測試粒度及粒度分布的方法主要有刮板細(xì)度法、篩分法、顯微鏡法、沉降法和激光衍射光學(xué)法等。
2.1刮板細(xì)度法
測試時(shí)將液態(tài)試樣滴入帶有從0到若干微米深的楔形溝槽的磨光平板(也稱刮板細(xì)度計(jì)，槽邊有刻度線標(biāo)明該處溝槽的深度)的溝槽的最深部位，然后用刮刀以適宜的速度把液體試樣拉過溝槽的整個(gè)長度，立即觀察溝槽中顆粒均勻顯露的位置，測定值是以微米表示的液體試樣中最大的固體顆粒的粒度。該法操作簡單，清洗容易，測試速度快，仍是目前涂料生產(chǎn)和使用過程中，控制和檢驗(yàn)液體涂料及相關(guān)產(chǎn)品最大粒度的首選方法。該方法的缺點(diǎn)是測量精度不高，不能測試顆粒的粒度分布。
2.2篩分法
用一組篩孔大小不同的篩子將被測試樣分成若干部分，留在每個(gè)篩面上的粒徑較粗的不通過量稱為篩余量，通過該篩孔粒徑較細(xì)的通過量稱為篩過量，記錄下各個(gè)篩子上的篩余量，即可求得被測試樣以質(zhì)量表示的粒徑分布。在涂料工業(yè)中所有的粉末狀涂料和原料以前多采用此方法測定粒徑和粒徑分布。這種方法操作簡單，設(shè)備成本低，適用于測量精度要求不高，粒徑較大(≥38μm[1])顆粒的測試。隨著超細(xì)化顆粒物的問世，這種測試方法已不能滿足發(fā)展的需要。
2.3顯微鏡法
測試時(shí)將試樣涂在玻璃載片上，采用成像法直接觀察和測量顆粒的平面投影圖像，從而測得顆粒的粒徑。這是一種最基本也是最實(shí)際的測量方法，常被用來作為對(duì)其他測量方法的校驗(yàn)和標(biāo)定。但這類儀器價(jià)格昂貴，試樣制備繁瑣，測量時(shí)間長，若僅測試顆粒的粒徑，一般不采用此方法。但若既需要了解顆粒的大小還需要了解顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)狀況以及表面形貌時(shí)，該方法則是最佳的測試方法。
2.4沉降法
該測試方法是基于不同大小的顆粒在液體中的沉降速度不同這一基本原理來測量顆粒的粒徑。即將試樣放在某種液體中制成一定濃度的懸浮液，懸浮液中的顆粒在重力或離心力的作用下將發(fā)生沉降，沉降速度與粒徑的關(guān)系用Stockes定律描述�；诔两翟淼臏y粒度儀有多種結(jié)構(gòu)型式，該法在涂料和陶瓷等工業(yè)中是一種傳統(tǒng)的粉體粒徑測試方法。已制定的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO3262ExtendersforPaintSpecificationsandMethodsofTest)對(duì)涂料中常用的21種體質(zhì)顏料的粒度分布測試方法，測試原理均基于沉降法。
2.5激光法
該法是基于顆粒能使光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象來測量顆粒的粒徑及粒徑分布的。即來自光源的光束穿過含有待測顆粒的器皿，在光與顆粒的相互作用下產(chǎn)生光的散射，用多元檢測器測量顆粒在各個(gè)角度的散射光信號(hào)，然后用合適的光學(xué)模型和數(shù)學(xué)程序?qū)⑸⑸湫盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，就可得到按試樣的體積比計(jì)，以不同粒度范圍表示的等效球體體積粒徑分布。按儀器接受的散射信號(hào)可以分為衍射法、角散射法、全散射法、光子相關(guān)光譜法等。其中以激光為光源的激光衍射散射式粒度儀(習(xí)慣上簡稱此類儀器為激光粒度儀)發(fā)展最為成熟，在顆粒測量技術(shù)中已經(jīng)得到了普遍的采用。與上述各種方法相比，該方法的特點(diǎn)是:(1)適用性廣，既可測粉末狀的顆粒，也可測懸浮液和乳濁液中的顆粒;(2)測試范圍寬，國際標(biāo)準(zhǔn) ISO13320-1ParticleSizeAnalysis2LaserDiffractionMeth2ods2Part1:GeneralPrinciples 中規(guī)定激光衍射散射法的應(yīng)用范圍為0.1～3000μm;(3)準(zhǔn)確性高，重復(fù)性好;(4)測試速度快;(5)可進(jìn)行在線測量。在涂料工業(yè)中該法也已得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同，某些涂料及相關(guān)產(chǎn)品已制定了相應(yīng)的測試方法標(biāo)準(zhǔn)，如，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310—13CoatingPowders2Part13: Par2ticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T3744云母珠光顏料。
3測試儀器和測試方法
本文所述實(shí)例采用SYMPATECHELOS/OASIS德國新帕泰克干濕二合一激光粒度儀測量顆粒的粒度及粒度分布。是基于激光衍射的測試原理，測量范圍0.1～875μm。對(duì)粉末狀試樣，選用干法直接測試;對(duì)乳化液和懸浮液等液態(tài)試樣，選用濕法直接測試試樣中顆粒的最原始狀態(tài)的粒度及粒度分布。
4激光粒度儀在涂料工業(yè)中的應(yīng)用
4.1粒度及粒度分布的測定
粒徑及粒徑分布的測定是激光粒度儀最普遍的用途。對(duì)粉末涂料，已發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310—13CoatingPowders2Part13:ParticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction規(guī)定了用激光衍射法直接測量粉末涂料等效球體粒徑分布的方法。實(shí)際上該測試方法也適用其他干粉狀試樣的粒度測試。依照此測試方法曾對(duì)粉末涂料、二氧化鈦、鐵紅、珠光顏料、磷酸鋅、硫酸鋇、鋅粉等多種粉狀試樣進(jìn)行了粒度分布的測試。圖1為某種粉末涂料的粒度分布曲線(激光粒度儀還有以表格法、函數(shù)法表示的粒度分布以及其它一些粒徑參數(shù)值，在此從略)。
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圖1粉末涂料的粒度分布圖
從圖1的數(shù)據(jù)可知，顆粒粒徑比例最高的在52.50～62.50μm范圍內(nèi)，占顆�？傮w積的12.28%;粒徑小于40.73μm的顆粒占總體積的50%。經(jīng)儀器計(jì)算得到體積平均粒徑(VMD)=43.04μm;表面積平均粒徑(SMD)=25.18μm。
已有文章和專著論述了粉末涂料的粒度及粒度分布對(duì)其施工、貯存、運(yùn)輸、回收等的影響結(jié)果，并規(guī)定了適宜于不同施工方式的粒度分布范圍[3]。對(duì)該粉末涂料的測試結(jié)果進(jìn)行分析，其粒度分布符合靜電噴涂的要求。
本文也對(duì)水性顏料漿、乳液和乳膠涂料等水性涂料體系及相關(guān)產(chǎn)品的顆粒粒度進(jìn)行了測定。圖2為水分散型聚氨酯樹脂的粒度分布曲線，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，顆粒粒徑比例最高的在0.36～0.44μm范圍內(nèi)，占顆粒總體積的11.28%;粒徑小于0.33μm的顆粒占總體積的50%。VMD=0.40μm;SMD=0.27μm。
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圖2水性聚氨酯樹脂的粒度分布圖
目前對(duì)水分散型樹脂的粒度及粒度分布已成為合成這類樹脂時(shí)應(yīng)測試的主要指標(biāo)之一，據(jù)此數(shù)據(jù)可判斷分散程度及是否穩(wěn)定。
用激光粒度儀進(jìn)行粒度測試時(shí)，分散條件的選擇對(duì)測試結(jié)果影響很大。干法測試時(shí)，分散壓力是主要的影響因素，對(duì)極性較強(qiáng)、粒度較小的顆粒，一般選擇較大的分散壓力，反之亦然。但對(duì)某些特殊形狀的粉狀試樣如片狀的珠光顏料，就不能選擇較大的分散壓力，否則會(huì)在測試過程中破壞試樣本身的形狀，也就不能測得試樣真實(shí)的粒度及粒度分布。濕法測試時(shí)，蠕動(dòng)循環(huán)速率、超聲強(qiáng)度、分散時(shí)間、靜止時(shí)間等都會(huì)影響試樣的分散性。一般較長的超聲分散時(shí)間、較大的超聲強(qiáng)度有利于試樣分散，但對(duì)某些攪拌后易于起泡的試樣如乳液類試樣，就應(yīng)選擇較低的超聲強(qiáng)度、較短的分散時(shí)間并且攪拌后的停留時(shí)間應(yīng)長些。此外被測試樣的加樣量應(yīng)使測試時(shí)的遮光率(obscuration， opticalconcentration)控制在一定范圍內(nèi)，干法一般在1%～15%，最好在7%～10%[2];濕法一般在20%～30%[3]。對(duì)一個(gè)具體的樣品，每次測試的遮光率應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)相對(duì)固定�？傊畱�(yīng)根據(jù)試樣的特點(diǎn)，設(shè)置儀器的測試條件，通過試驗(yàn)確定最佳的測試參數(shù)，得到能夠準(zhǔn)確表征顆粒粒度及粒度分布的測量結(jié)果。
原則上涂料中的所有顆粒物都可采用激光粒度儀測量其粒度和粒度分布。但受儀器測試范圍的限制，對(duì)超細(xì)顆粒(如納米材料)采用激光衍射散射式粒度儀已不能準(zhǔn)確測量其粒徑，應(yīng)選用根據(jù)光子相關(guān)光譜技術(shù)制備的儀器測量(顆粒粒度在 1nm～1μm)。此外目前生產(chǎn)的激光粒度儀受設(shè)備材質(zhì)限制，分散介質(zhì)只能用水或乙醇的水溶液，因此在涂料工業(yè)中只能對(duì)水性體系的涂料及相關(guān)產(chǎn)品選用濕法直接測試，對(duì)溶劑型涂料及相關(guān)產(chǎn)品尚不能直接測試。
4.2質(zhì)量控制
在涂料工業(yè)中常遇到同一配方在不同廠或同一廠不同批次的產(chǎn)品質(zhì)量不同的情況，以及產(chǎn)品在貯存期間質(zhì)量發(fā)生變化的問題。這些情況用傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法往往不易察覺，而用激光粒度法有助于解決這類問題。圖3為同一廠家制造的三批組成及生產(chǎn)工藝相同的珠光顏料的粒徑分布圖，其中樣品A為參比樣。由圖3分布曲線可知，樣品B與樣品A的粒徑分布基本相同，而樣品C的粗粉含量較多。從廠家反饋的信息也證實(shí)，樣品B的使用效果滿足要求，而樣品C因含有較多的粗顆粒，使用效果不及樣品B。
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圖3同一廠家生產(chǎn)的三批珠光顏料的粒度分布圖
激光粒度法用于質(zhì)量控制時(shí)，首先要確定具有良好性能且適用于既定用途的材料，以它定出標(biāo)準(zhǔn)的粒度分布圖表，然后將各生產(chǎn)批次樣品的圖表與之比較，以達(dá)到快速質(zhì)量控制的目的。
4.3分散劑的選擇
分散劑是添加了固體粉料的涂料及相關(guān)產(chǎn)品(如著色涂料和顏料漿等)體系中不可缺少的添加劑之一。若分散劑選擇不當(dāng)或用量不合適，會(huì)造成顏填料不能分散到需要的細(xì)度，分散體系不穩(wěn)定，從而影響涂料的使用性能。如以二氧化鈦顏料漿中分散劑的選擇為例，借助激光粒度儀的測試結(jié)果確定分散劑的品種及用量。表1列出了試驗(yàn)時(shí)選用的幾種分散劑及用量的配比。試驗(yàn)時(shí)除了改變分散劑的品種及用量外，其余組分的品種和用量以及試驗(yàn)條件完全相同。
表1分散劑的品種和用量配比
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表2分散劑品種與涂膜光澤的關(guān)系
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進(jìn)一步對(duì)分散劑C的用量進(jìn)行試驗(yàn)，圖5為粒徑分布曲線;圖6為分散劑C用量與顏料漿黏度的關(guān)系圖;圖7為分散劑C用量與涂膜光澤的關(guān)系圖。從圖5可觀察到015%的用量，還不能使顆粒分散至需要的粒徑，且顏料漿的黏度偏大(見圖 6)，涂膜的光澤偏低(見圖7)。1.0%及以上的用量可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，已達(dá)到理想的分散效果。綜合考慮各種因素后確定分散劑C的用量為1.5%。
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圖4三種分散劑的粒徑分布圖
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圖5分散劑C不同用量時(shí)的粒徑分布圖
6結(jié)語
顆粒的粒度及粒度分布是顆粒物在生產(chǎn)和使用中非常重要的數(shù)據(jù)，可用來確定產(chǎn)品的等級(jí)和質(zhì)量，也可為制定科研和生產(chǎn)方案提供依據(jù)。激光衍射粒度測試法作為一種新穎的顆粒粒徑測量技術(shù)在涂料工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。本文僅列出了其在涂料工業(yè)中的幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例�？梢灶A(yù)見隨著激光粒度儀的不斷發(fā)展與改進(jìn)，若能實(shí)現(xiàn)溶劑型涂料及相關(guān)產(chǎn)品粒度及粒度分布的直接測量、在線測試，相信它在涂料工業(yè)中的應(yīng)用將更加深入廣泛。
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圖6分散劑用量與顏料漿黏度的關(guān)系
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圖7分散劑用量與涂膜光澤的關(guān)系
