磁性材料粒度检测的最佳方法

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磁性材料粒度检测的最佳方法 Dr. Ulrich Kesten1 耿建芳博士1. SYMPATEC GmbH，Clausthal， Germany 2.彳德国新帕泰克有限公司苏州代表处 (SYMSINO) 摘要：如何能将团聚在一起的磁性材料粉体完全彻底地进行分散，是获得正确的粒度检测结果的首要前提。德国新帕泰克公司专利的干法激光粒度仪 HELOS/RODOS和 MYTOS& TWISTER，可以对磁粉不需消磁就可将其彻底分散并直接进行测试，得到磁粉的原始颗粒的粒度大小和粒度分布，这对提高磁材的性能起到极其关键的指导作用。本文详细介绍了干法激光粒度仪的分散原理，并比较了干法和湿法分散检测结果和电镜下的钕铁硼的粒度的一致性。 关键词：磁粉粒度检测激光粒度仪干法分散石在线取样、分散和检测 引言 全世界每年对与磁性材料和磁体成品的需求正在稳步上升，但是由于全球铁酸盐和稀土领域的生产力过剩，只有高质量的产品才有机会赢得市场。而产品粒度分布的检测和控制是保证产品质量的关键因素之一。对生产厂商和用户来说，能够采用正确的粒度检测方法来得到磁性材料粉体的真实的粒度大小和粒度分布是非常重要的。那么，选择什么样的方法来对这些带有磁性的材料进行粒度检测呢?随着七十年代激光技术、光电技术和计算机技术的迅速发展，激光粒度仪以其测试范围广，操作简便，快速非接触式和很好的重复性得到了广泛的应用。 Mr. Fraunhofer在 19世纪发现了衍射光和颗粒大小之间存在一定的关系，这就是 Fraunhofer 衍射理论(1)。自 Frauhofer 发现衍射理论后约130年即1972年，随着科技的发展出现了能够快速分散和测试的激光粒度测试仪。 表1：激光粒度仪产生的历史 项目 详细内容 出现时间 理论 Fraunhofer 衍射理论 1860年 实际 He-Ne 高能单色平行光源，实际得到衍射光强-颗粒大小之间的相互关系 1960年 探测器 军用多元探测器 1965年 数据处理系统 电脑 1970年 结果 激光粒度仪 1972(2) 激光粒度仪的光路设计中，包含一-个光源、激光扩束器(能够得到直径超过20mm 的平行的光束)，测试区域，傅立叶镜头和探测器。详见图1：激光衍射法的光路设计 图1：激光粒度仪的光路设计 测试区域在平行激光束中，光束在有颗粒的时候发生衍射，衍射后的光线经过傅立叶光学镜头聚集在焦平面上的多元探测器上。多元探测器将探测得到的光强信号转换成电流信号送入电脑进行数据处理。 颗粒的大小和探测器得到的光强之间存在一定的对应关系。按照 Frauhofer 理论或 Mie 理论，通过数学计算便可获得颗粒的粒度大小和粒度分布(3) 激光衍射法是测量颗粒大小和粒径分布的最合适的办法。由于磁性材料的特殊性质，需要对磁性材料采用特殊的分散方式，是否能够不需消磁就直接分散?是采用干法分散进行测试还是用湿法分散进行测试更可靠准确? 为了回答以上的问题，需要做大量的实验来寻找出最佳的测试方法。 首先，先要了解被测试的钕铁硼的粒度到底是多少，接下来才能够对不同的分散方式得到的结果进行评判。下图是将要被检测的钕铁硼(名称： NdFeB 3.5um) 在电镜下的照片。 图2： NdFeB3.5 um在2000倍下的电镜照片 从电镜下面，可以非常清楚的看出，强大的磁力使颗粒完全团聚在一起，有1-2微米的，也有超过30微米的，对此，我们将其采用不同的分散方式来检测其粒度大小和粒度分布。 首先是采用传统的湿法分散来进行粒度检测，在湿法分散中，影响分散效果的因素很多，绝大多数会选择超声波来进行分散或者在分散液中加分散剂来帮助分散。我们也从这两个主要的影响因素来考察对磁性材料进行湿法分散测试的可行性。 1.超声波作用的影响 图3：超声波对磁性材料和非磁性材料测试结果的影响 从图3中，我们可以看到，对于粒度大小接近本钕铁硼样品的 SiC样品(无磁性)，湿法测试的结果非常接近电镜的测试结果，而具有磁性的钕铁硼就不一样了，超声波对材料分散的贡献非常小，测试得到的还是团聚的颗粒，导致其测试结果远远比真实的单个颗粒的粒度要大很多，随着超声波作用时间增长稍微会好 2.分散剂的影响 那么，在溶剂中加些分散剂会不会好一些呢?下图显示的是将这个钕铁硼样品在不同的分散剂条件下，外置探针式200瓦的超声波中作用5分钟后再检测的结果： 图4：：不同的分散剂下的测试结果和干法测试结果的比较 不同的分散剂对分散有不同的作用，但是都没有办法将其分散成单个的颗粒，团聚状况还是非常地严重。 从以上两组实验结果我们可以清楚地发现，采用湿法分散来对磁性材料进行分散和测试是无法将团聚在一起的磁性材料彻底分散开的，同时目前尚没有哪家单位可以提供分散磁性材料(包括钕铁硼、硬磁铁氧体等)的溶剂或分散剂。那么，是否可以考虑采用干法分散来进行粒度检测呢? 1984年，德国新帕泰克公司 (Sympatec GmbH)公司首次将专利的干法分散技术和激光系统相结合，开发出了世界首台干法激光粒度仪，该成就被粉体工程界誉为里程碑式的创新。从此，激光粒度检测领域发生了全新的变革，这就意味着占粉体材料绝大多数的干粉可以直接采用干法分散来进行测试，不需要为了测试粒度而花费很多的时间和精力去寻找适合的溶剂和分散剂。同时，新帕泰克公司提出了更加先进的设计理念，即应在保持被测样品原始存在状态下、在不改变样品的特性情况下对其进行彻底的分散，分析仪器应该适应不同产品的性质和不同的生产工艺。 德国新帕泰克公司专利的干法分散系统 (RODOS)，可以分散的物料的粒度范围从0.1微米到10毫米，磁性材料不需要消磁就可以彻底分散成单个的颗粒。 RODOS 是通过以下三种途径来实见对团聚的磁性材料进行分散的： (1)通过分散管中物料的不同速度梯度之间强大的摩擦剪切力来实现对团聚颗粒的分散； (2)通过大小不同颗粒之间的相互碰撞所产生的摩擦剪切力，实现团聚颗粒的分散； (3)通过大小不同颗粒和分散管壁之间的碰撞，实现团聚颗粒的分散。 这三种分散方式相互作用，相互补充，形成了RODOS 干法分散系统强大的分散能力，能对任何干粉进行有效、彻底的分散，保证测试结果的可靠性. 对以上同一个磁性材料用干法来进行检测，得到的结果同湿法结果进行比较，见下图。用湿法无法分散的磁性材料，采用干法分散可以得到非常好的结果，并且干法分散后得到的粒度大小和电镜下的结果有极高的一致性。 图5：磁性材料干湿法结果比较图 通过以上对钕铁硼实际样品的对比结果可以看出：采用德国新帕泰克公司的干法激光粒度仪，是对磁性材料进行粒度检测的最佳方法。 德国新帕泰克公司干粉激光粒度仪的特点： ◇ 磁性材料不需要消磁就可以直接被完全分散成单个颗粒，静电力对分散没有影响。 ◇ 没有湿法分散和测试中气泡的影响。 ◇ 通过控制系统对分散气体压力(0.1-6Bar) 进行调节，实现对不同物料的分散。 ◇ 可以测量从几毫克到几公斤的样品，保证取样的代表性。 ◇ 特殊开发的操作软件会根据需要测试粉体的特性，自动实现对压缩气体的压力和真空收料装置真空度的调节，从而保证被测试过样品完全被收集到真空收料装置中。 ◇ 每次在测量新的样品之前，系统自动对分散系统和光学元件进行清洗，保证测试任何样品之前整个系统的清洁。 ◇ 不需要特殊的溶剂和分散剂，无废液处理问题的困扰。 ◇ 检测速度快，从进样到给出结果只需要短短的几秒钟! 随着技术的发展，生产过程自动化程度越来越高，同时由于钕铁硼粉末的特性(在空气中极易氧化燃烧)，，一方面是取样比较麻烦，同时在取样的时候具有一定的危险性，实验室测试的信息反馈也有一定的迟滞性。现在， HELOS 和 RODOS 系统的核心技术已经被整合进了更加精密的 MYTOS 系统当充。MYTOS系统是专门为了在实际生产线条件下进行 in-line、on-line 和 at-line 的粒度测试而特殊设计的粒度测试系统，结合新帕泰克公司专利的代表性取样装置 TWISTER， 为磁性材料实现生产在线实时粒度检测和全自动闭环生产控制提供了可可。 由于在工艺管道中产品的颗粒浓度一般来说都比探测器所要求的最高颗粒浓度要高，为了实现准确的粒度测试，在整个测试系统中必需包含有一个代表性的取样装置。对于磁性材料行业来说，考虑到产品的物理特性、大吞吐量和产品的快速流动，实现代表性取样就遇到了更多的障碍。图6左上部分是新帕泰克公司开发的专利的在线取样装置 TWISTER。目前 TWISTER 取样系统结合 MYTOS激光测试系统的在线激光粒度仪已经广泛地应用在许多工业生产过程中的物流主管道中。 图6：：TWISTER & MYTOS干法在线全自动粒度分析系统 TWISTER 可从生产管道中取到具有代表性的样品。测量开始时 TWISTER 的进样口会从一个有保护的在管壁处的停止位置开始对工艺管道的整个横截面进行扫描，其扫描的轨迹为螺旋线，这样就可以确保取样头在整个工艺管横截面上的各个点处的停留时间相同，使工艺管中的所有区域对于取样的结果有同样的贡献，只有这样才能确保真实的具有代表性的取样结果。 TWISTER 代表性的取样装置将取到的样品输送给与之相连接的 MYTOS 系统进行样品的分散和测量(见图6)。 图7： MYTOS & TWISTER 实时在线分析和过程控制系统 图8： MYTOS(工业线线)与HELOS(实验室)测试结果的一致性比较 结论： 从电镜下我们可以看到磁性颗粒的团聚情况，强大的磁力使颗粒完全团聚在一起。在湿法分散测试过程中，超声波的作用使粒径分布向细颗粒方向有轻微偏移(该偏移在测试过程中是可逆的)，但是湿法测试的最终粒度结果还同分散剂有关， RODOS 干法分散系统可以对磁性材料进行彻底的、可靠的分散。 对测试结果的分析可以看到，对于同一个磁性材料样品，湿法测试结果(X50)大约是干法测试结果的4-5倍，有些粒度测试报告通过采用不准确的米氏参数或者忽略粗颗粒来对结果进行修改，也可以得到干法系统和湿法系统比较一致的结果。因此，用户在得到测试报告时一定要非常仔细地去确认该报告所采用的分析方法等是否可靠。 综上所述，德国新帕泰克公司的 HELOS&RODOS (off-line)干法激光粒度仪是能对磁性材料进行彻底有效的分散、从而可获得磁性材料原始的粒度大小和粒度分布的最佳实验室性材料粒度测试方法；一体化的MYTOS&TWISTER (in-line) 实时在线干法取样、分散和粒度测试系统，使磁性材料工业生产的全自动化粒度监测和过程控制得以实现， -方面避免了取样过程中的误差，另-方面，生产过程的安全性更加有了保证。 Reference： 1. J. Fraunhofer Bestimmung des Brechungs- und Farbzerstreuungsvermogens verschiedener Glasarten Gilberts Annalen der Physik， 56 (1817)193-226 2. Stephan Rothele， Ulrich Kesten： The Application of Laser Diffraction Technology， 2nd World Congress of Particle Technology 1990，19.-22.September 1990， Kyoto， Japan 3. Michael Heuer， Kurt Leschonski： Results Obtained with a New Instrument for the Measurement of Particle Size Distributions from DiffractionPatterns，Part. Charact. 2 (1985)7-13