激光粒度检测

p style=" text-indent: 2em " 编者按：谈到粒度，激光粒度仪怎能缺席？目前，在各行各业的粒度检测领域，激光粒度仪应用广泛。从传统的石油化工、建材家居，到制药、食品、环保，甚至在新兴的锂电、半导体、石墨烯等行业，都能看到激光粒度仪活跃的身影。 /p p style=" text-indent: 2em " 那么激光粒度仪在粒度检测中到底是怎样应用的呢？我国颗粒学泰斗专家周素红研究员的论述，无疑将给我们带来启示…… /p p style=" text-indent: 2em " strong 专家观点： /strong /p p style=" text-indent: 2em " 激光粒度分析方法是近年来发展较快的一种测试方法,其主要特点是: /p p style=" text-indent: 2em " 1)测量的粒径范围广, 可进行从纳米到微米量级如此宽范围的粒度分布。约为 :20nm ～ 2000μm , 某些情况下上限可达 3500μm /p p style=" text-indent: 2em " 2)适用范围广泛 , 不仅能测量固体颗粒 , 还能测量液体中的粒子 /p p style=" text-indent: 2em " 3)重现性好 ,与传统方法相比 ,激光粒度分析仪能给出准确可靠的测量结果 /p p style=" text-indent: 2em " 4)测量时间快,整个测量过程1-2分钟即可, 某些仪器已实现了实时检测和实时显示 ,可以让用户在整个测量过程中观察并监视样品。 /p p style=" text-indent: 2em " 激光粒度分析不仅在先进的材料工程 、国防工业、军事科学、而且在众多传统产业中都有广泛的应用前景。特别是高新材料科学的研究与开发 ,产品的质量控制等 , 如 :陶瓷、粉末冶金、稀土 、电池、制药 、食品、饮料 、水泥 、涂料 、粘合剂 、颜料、塑料、保健及化妆品 。由于颗粒粒子的特异性能在于它的粒径十分细小,粒径大小是表征颗粒性能的一个重要参数, 因此 ,对颗粒粒径进行测量是开展材料检测、评价颗粒材料的重要指标。 /p p style=" text-indent: 2em " 当光线照射到颗粒上时会发生散射 、衍射 。其衍射、散射光强度均与粒子的大小有关 。观测其光强度, 可应用夫琅和费衍射理论和 Mie 散射理论求得粒子径分布(激光衍射/散射法)。 /p p style=" text-indent: 2em " 光入射到球形粒子时可产生三类光:1)在粒子表面 、通过粒子内部、经粒子内表面的反射光 2)通过粒子内部而折射出的光 3)在表面的衍射光 。这些现象与粒子的大小无关 。全都可以作为光散射处理 。一般地 , 光散射现象可以用经Maxwell 电磁方程式严密解出的 Mie 散射理论说明。但是, 实际使用起来过于复杂, 为了求得实际的光强度, 可根据入射波长 λ和粒子半径r 的关系 ,即 :r& lt & lt λ时,Rayleigh 散射理论r& gt & gt λ时,Fraunhofer 衍射理论在使用上述理论时 ,应考虑到光的波长和粒子径的关系, 在不同的领域使用不同的理论 。 /p p style=" text-indent: 2em " 粒子径大于波长的时候, 由 Fraunhofer 衍射理论求得的衍射光强度和 Mie 散射理论求得的散射光强度大体是一致的。因此 ,可以把 Fraunhofer 衍射理论作为 Mie 散射理论的近似处理。这时 ,光散射(衍射)的方向几乎都集中在前方, 其强度与粒子径的大小有关 ,有很大的变化。即, 表示粒子径固有的光强度谱 。解出粒子的光强度分布(散射谱)就可以定出粒子径。当波长和粒子径很接近的时候 ,不能用 Fraunhofer 的近似式来表示散射强度 。这时有必要根据 Mie 散射理论作进一步讨论。在Mie 散射中的散射光强度由入射光波长(λ)、粒子径(a)、粒子和介质的相对折射率(m)来确定 。、 /p p style=" text-indent: 2em " 激光粒度分析的应用领域极为广泛, 如 :1)医药中的粒度控制着药物的溶解速度和药效 2)催化剂的粒度影响着生成反应效率 3)制陶原料的粒度影响着烧结后的物理特性 4)矿物的粒度影响着长途海运的安全 5)食品的保质期受粒度影响 6)橡胶原料粒度影响着其寿命 7)电池原料的粒度影响着电池的充放电效率和寿命 8)涂料 、染料中的粒度影响着产品染色时的发色、光泽 、退色 9)塑料原料的粒度影响着塑料的透明度和加工以及使用性能。 /p

p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family:宋体" 锂电行业近年来正在快速增长，并对多类光学、物性检测领域的仪器设备有着强烈需求。对于锂电池的电池材料来说，粒度、细度的检测是重要的相关参数，因而对激光粒度仪仪器厂商，锂电行业就此成为了他们书写市场红利新篇章的重要笔墨。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/a0946e4d-f5d6-4005-b98d-768e0013fd6b.jpg" title=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " strong span style=" font-family:宋体" 锂电池 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family:宋体" 粒度和粒径分布影响着锂电池材料性能的方方面面，特别是在生产流程，粒度粒径的检测有助于试验阶段的通过 /span / span style=" font-family:宋体" 失败检测、过程控制、以及每个工厂的出货控制。对锂电池，特别是聚焦舆论大量视线的锂离子电池，在原材料管控阶段，主要有三类电池材料需要进行粒度检测——正极材料、负极材料和隔膜材料，所需的粒径检测范围在 /span 10nm span style=" font-family:宋体" 到 /span 5mm span style=" font-family:宋体" 之间。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family:宋体" 以锂离子电池的正极材料为例，粒径 /span D50 span style=" font-family:宋体" 是关键性的质量控制指标之一，无论是磷酸铁锂电极还是其他主流锂合金氧化物电极都不例外。 /span D50 span style=" font-family:宋体" 是表示粒径大小的典型值，其标准定义是累计分布百分数达到 /span 50% span style=" font-family:宋体" 时对应的粒径值，又名中值粒径、中位径。电池正极对原材料的粒径要求波动范围较大，一般在 /span 1-20 span style=" font-family:宋体" μ /span m span style=" font-family:宋体" 之间。具体指标主要受到材料种类和工艺要求的双重限制。负极材料的粒径对电池的初始放电容量和首次效率等参数有重要影响，还是以锂离子电池为例，其负极石墨材料的平均粒径较为集中地分布在 /span 16-18 span style=" font-family:宋体" μ /span m span style=" font-family:宋体" 之间时，最为合适。电池隔膜，介于正负极材料之间，也是电池结构重要的组成部分，其中需要添加氧化铝等阻燃材料，这些阻燃材料的粒径需求则呈现随着隔膜层厚度不断提升，粒径不断减小的趋势，目前甚至需要达到亚微米甚至纳米级的要求。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/9c1cbb85-5a43-475e-978d-bc165aef7207.jpg" title=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " strong span style=" font-family:宋体" 锂电池结构示意图 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family:宋体" 电池的工艺特性、充放电容量、体积能量密度等重要参数都会受到电池材料粒度的影响， /span span style=" font-family:宋体" 而在各种粒度检测方法中，激光粒度仪因具有操作简便、可测颗粒数、等效概念明确、速度快、准确性好等优点，受到锂电市场的青睐。在激光粒度仪的各类技术指标中，“分辨能力”对于电池材料的检测有着极为重要的意义。分辨能力是指激光粒度仪对样品中不同粒径之间的区分能力。这种能力对电池材料的检测非常重要，例如，过小颗粒的石墨粉中往往具有较多的菱方结构，用参有这种石墨材料的锂电池，储锂容量就会比较小，而分辨能力高的激光粒度仪，就能较容易地检测出石墨原材料中的菱方结构。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/f3d5ee0f-102d-47ac-9a4e-773ee5e791bc.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " strong span style=" font-family:宋体" 激光粒度仪原理示意图 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-size:14px font-family:宋体" 评估激光粒度仪分辨能力的方法有很多，最常见的就是测量在已知粒径的标准样品中加入少量比例已知的大 /span span style=" font-size:14px font-family:& #39 Calibri& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " / /span span style=" font-size:14px font-family:宋体" 小颗粒样品，看测试结果是否能满足真实的差异。目前在市场上，激光粒度仪的分辨能力往往从散射光能分布角度、信噪比光学电子设计、高精度的模数转换及反演计算水平等角度改进。而具有高品质高分辨率元器件、装配工艺及算法数控优化水平高的激光粒度仪，也越来越为锂电行业所重视。 /span /p

图1. 脂肪乳结构图脂肪乳自1962年瑞典成功开发以来，不仅作为能量补给剂，而且更加广泛地用作制药领域的药物载体。由于脂肪乳属热力学不稳定体系，有聚集和絮凝等现象，脂肪乳初乳的颗粒大小又对成品粒度有着重要的影响，而成品乳粒的粒度和分布是注射液脂肪乳质量的核心，关系到注射液的稳定性、有效性和安全性，因此需要在生产过程中对乳粒粒度进行严格控制。本次研究采用《中国药典 通则 0982第三法 光散射法》对脂肪乳进行粒度及分布测试。使用的仪器是丹东百特Bettersize2600激光粒度分析仪，所测的脂肪乳是经不同高压均质条件下得到脂肪乳。图2. Bettersize2600激光粒度分析仪脂肪乳的高压均质过程是利用液压动力所产生的超高压能量使物料通过狭缝瞬间释放，在剪切效应、空穴效应、碰撞效应的作用下使初乳达到均质、分散、乳化效果。用Bettersize2600对不同高压均质次数的三种脂肪乳进行粒度分布及体积平均径测试，得到如图3所示的结果。图3. 高压均质机工作原理及不同高压均质次数的粒度分布从图3可以看出，经过第一次高压均质后体积平均粒径D[4，3]为0.629μm，不符合药典小于0.5μm的要求，且1μm以上的乳粒超过10%；经过第二次均质后体积平均粒径D[4，3]为0.390μm，已经符合药典要求，但1μm 以上的乳粒还有约1%，还存在不符合药典的风险；经过第三次均质后体积平均粒径D[4，3]为0.312μm，已经没有1μm以上的乳粒，粒度分布也更窄，完全符合药典的要求。除了均质次数之外，温度、压力、乳化剂、稳定剂等条件也的影响脂肪乳粒度的重要条件。图4. 不同高压均质次数后的的脂肪乳显微图像对将经过一次、二次、次均质后的脂肪乳用显微图像系统拍摄乳粒图像，验证Bettersize2600激光粒度分析仪对大颗粒的测试结果。从图像上可以看出，一次均质后还有不少几微米的大颗粒，二次均质后这种大颗粒就明显减少，三次均质后就完全没有大颗粒了。结论：用Bettersize2600激光粒度分析仪可准确检测脂肪乳注射液的粒度分布和体积平均径，对脂肪乳及其制品的生产过程进行有效的质量控制。