沈興志，吳瑾

珠海歐美克儀器有限公司

摘要：激光粒度儀對(duì)立磨碳酸鈣進(jìn)行粒度測(cè)試時(shí)，結(jié)果穩(wěn)定性不佳有一定的普遍性。本文主要討論了通過(guò)不同測(cè)試方法開(kāi)發(fā)，了解其對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的影響。在研究中發(fā)現(xiàn)，在介質(zhì)中添加適宜濃度六偏磷酸鈉作為分散穩(wěn)定、抗溶解試劑，以及設(shè)置合理的超聲和泵速等參數(shù)都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性有較大幫助。

關(guān)鍵詞：立磨碳酸鈣、粒度分析、激光粒度儀

引言

近些年，隨著碳酸鈣行業(yè)發(fā)展，立式研磨機(jī)（簡(jiǎn)稱立磨）由于其相對(duì)傳統(tǒng)球磨機(jī)、環(huán)輥磨機(jī)具有更、節(jié)能、環(huán)保、干燥能力較高、占地空間小、易維護(hù)等特點(diǎn)，在碳酸鈣行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。立磨生產(chǎn)碳酸鈣物料在輥式磨內(nèi)停留時(shí)間短，輥套和襯板不直接接觸，其所得粉體能較好地保持原有晶型，粒形較規(guī)則，生產(chǎn)粉體流動(dòng)性好，易分散，分布寬度大，這些都是與球磨機(jī)生產(chǎn)重鈣粉有所差異的。

重鈣粉體的粒度測(cè)試，對(duì)于了解和控制產(chǎn)品質(zhì)量，指導(dǎo)磨機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗等是非常必要的。歐美克儀器有限公司于1996年起推出的LS-POP系列激光粒度分析儀是重鈣生產(chǎn)領(lǐng)域使用的經(jīng)典產(chǎn)品，可以快速簡(jiǎn)便地獲得測(cè)試樣品的粒度分布，D50中值粒徑，D97，2um含量及比表面積等重要參數(shù)信息，已經(jīng)在傳統(tǒng)重鈣粉的測(cè)試領(lǐng)域獲得了良好的口碑。

在激光粒度儀指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中，其重復(fù)性和分辨能力都是至關(guān)重要的。良好的重復(fù)性是測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠的保障^【1】。優(yōu)良的分辨能力，能更好地分辨粉體間細(xì)微差異，指導(dǎo)磨機(jī)調(diào)節(jié)，zui大程度避免過(guò)磨或者研磨不足，從而可以在保證提供合格產(chǎn)品的前提下，將能耗控制到zui低水平。

典型的濕法重鈣測(cè)試方法是將重鈣粉末加入到介質(zhì)水中，超聲幾分鐘后，加入激光粒度儀中循環(huán)，測(cè)試其粒度分布。立磨粉由于其寬分布特性，一個(gè)樣品可能同時(shí)具有亞微米到百來(lái)微米大小的顆粒，在用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了結(jié)果重復(fù)性和分辨能力不佳的問(wèn)題。測(cè)微米、亞微米粉體時(shí)，zui常見(jiàn)的影響粒度測(cè)試結(jié)果的因素是顆粒的團(tuán)聚，應(yīng)對(duì)的主要方法是超聲分散和加入分散劑；而在測(cè)試大顆粒時(shí)，進(jìn)樣器對(duì)大顆粒的懸浮分散能力顯得至關(guān)重要；此外，碳酸鈣微溶的屬性也加大了其測(cè)試的復(fù)雜性。本文中主要采用歐美克公司新推出的LS-POP(9)激光粒度儀及系列進(jìn)樣器，結(jié)合不同測(cè)試方法對(duì)立磨粉測(cè)試，并探討如何在不同樣品、儀器條件下確定*測(cè)試方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測(cè)試材料、試劑、使用儀器

典型寬分布立磨碳酸鈣粉生產(chǎn)樣（D97：60um，D50：7.5um，2um含量：22%）、六偏磷酸鈉（簡(jiǎn)稱六偏）、歐美克LS-POP(9)激光粒度儀及SFC-105B自動(dòng)進(jìn)樣器、SFC-126微量進(jìn)樣器。

1.2 測(cè)試方法

本文中所有測(cè)試介質(zhì)均采用潔凈自來(lái)水，將樣品干粉直接加入到已加不同濃度六偏的介質(zhì)中，設(shè)置不同的超聲模式、泵速來(lái)進(jìn)行測(cè)試。本文中所有測(cè)試均力圖以便捷、快速的方法進(jìn)行，并符合大多數(shù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件。本文中所有測(cè)試結(jié)果均采用通用增強(qiáng)粒度分析模式得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同六偏磷酸鈉濃度和進(jìn)樣器容積對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的影響

通常立磨碳酸鈣的測(cè)試中，結(jié)果波動(dòng)較大是普遍被測(cè)試者抱怨的問(wèn)題。在此我們通過(guò)不同條件下，多次測(cè)試結(jié)果之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大小，來(lái)評(píng)估在此條件下單次測(cè)試結(jié)果的可靠性。

2.1.1 添加不同濃度六偏磷酸鈉對(duì)粒度測(cè)試穩(wěn)定性的影響

在激光粒度測(cè)試中，六偏磷酸鈉作為分散穩(wěn)定劑使用廣泛。由于其對(duì)碳酸鈣顆粒表面鈣離子的螯合作用，在顆粒表面逐漸吸附一層帶電的六偏磷酸鈉分子層，增加了顆粒之間的靜電排斥作用和空間位阻，使得顆粒之間的團(tuán)聚得到顯著抑制。此外六偏磷酸鈉對(duì)重鈣顆粒的包覆作用，減少了其與水分子的直接接觸，對(duì)碳酸鈣的溶解亦有顯著的抑制作用^【2】。常溫下碳酸鈣在中性水介質(zhì)中的溶解度大致為4-5mg/l, 而粒度儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)每升水介質(zhì)加入碳酸鈣樣品的量為幾十毫克量級(jí)，對(duì)碳酸鈣溶解的抑制將有利于得到準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。

使用LS-POP(9)主機(jī)，分別連接SFC-105B自動(dòng)進(jìn)樣器測(cè)試立磨碳酸鈣樣品的粒度，介質(zhì)容積約500ml。各次加入的六偏磷酸鈉濃度依次約為20、10、5、0ppm，加樣至遮光比在7~12%之間，直接超聲2min后，連續(xù)測(cè)試5次，并統(tǒng)計(jì)粒度測(cè)試結(jié)果2um含量、D50、D97隨六偏濃度測(cè)試穩(wěn)定性，即相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化情況。

表1：SFC-105B進(jìn)樣器，加入不同量六偏磷酸鈉D10、D50、D97測(cè)量相對(duì)均方差

如表1所示，可以看到，同一取樣連續(xù)5次測(cè)量以及4次不同取樣測(cè)量，其2um含量、D50結(jié)果，未添加六偏磷酸鈉相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較加入六偏磷酸鈉更大，而D97的偏差基本沒(méi)有太大影響。在測(cè)量的數(shù)值上，加六偏時(shí)D50、2um含量平均數(shù)值為8.27um、23.11%，相對(duì)未加六偏所有結(jié)果平均值7.39um、19.91%明顯偏大，而D97數(shù)值則無(wú)明顯大小差異。顯示出六偏磷酸鈉在防止碳酸鈣溶解上能發(fā)揮作用，能在一定程度上提高小顆粒測(cè)量的穩(wěn)定性。

2.1.2 進(jìn)樣器容積對(duì)測(cè)試穩(wěn)定性的影響

為了了解不同容積進(jìn)樣器對(duì)立磨碳酸鈣粒度測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性影響，我們選取了SFC-126微量進(jìn)樣器，其測(cè)試介質(zhì)容積約為SFC-105B的1/4,即130ml左右。其他測(cè)試條件均與上述表1條件相同。

表2：SFC-126進(jìn)樣器，加入不同量六偏磷酸鈉D10、D50、D97測(cè)量相對(duì)均方差

如表2所示，在微量進(jìn)樣器SFC-126中，進(jìn)行同一取樣連續(xù)5次測(cè)量以及2次不同取樣測(cè)量。加入六偏在測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性上改善不明顯，且普遍比同一條件下大容積進(jìn)樣器測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大，可能的主要原因是微量進(jìn)樣器測(cè)試樣品量少，單次測(cè)量代表性不足。我們將兩個(gè)進(jìn)樣器在較穩(wěn)定測(cè)量條件下（六偏10ppm、5ppm）多次取樣的結(jié)果進(jìn)行平均后，得到以下表3. 由表可見(jiàn)，主要測(cè)量參數(shù)2um含量、D50、D97結(jié)果均非常接近，并無(wú)明顯差異。

表3：不同進(jìn)樣器，穩(wěn)定測(cè)量條件下粒度測(cè)量平均結(jié)果

2.2 粒度測(cè)試結(jié)果隨時(shí)間的變化

2.2.1 不同超聲條件對(duì)不同時(shí)間粒度測(cè)試結(jié)果的影響

選擇六偏為10ppm，使用SFC-105B在連續(xù)超聲、無(wú)超聲、超聲2min后停止三種條件下測(cè)試碳酸鈣立磨粉粒度分布。

表5：SFC-105B進(jìn)樣器不同六偏濃度條件對(duì)D97隨時(shí)間變化的影響

表6：SFC-126進(jìn)樣器不同六偏濃度條件對(duì)D97隨時(shí)間變化的影響

如表5、表6所示，不同六偏濃度對(duì)D97結(jié)果的變化出現(xiàn)不同的趨勢(shì)性，20ppm高濃度時(shí)，其D97結(jié)果呈較明顯下降趨勢(shì)；5、10ppm六偏時(shí)結(jié)果隨時(shí)間變化不大，在平均值附近上下小幅波動(dòng)，且此時(shí)D97測(cè)試結(jié)果較其他結(jié)果略大。推測(cè)原因是不加或加入少量六偏，由于其不能將碳酸鈣顆粒表面*覆蓋形成保護(hù)層，顆粒表面與介質(zhì)水接觸，碳酸鈣產(chǎn)生了溶解。持續(xù)增加六偏的量，直到其能將碳酸鈣顆粒*覆蓋，能zui大程度的滿足顆粒的分散和抑制溶解效果^【3】，再加入更多六偏，除了包覆在碳酸鈣顆粒表面，介質(zhì)中有更多六偏會(huì)使得體系電導(dǎo)率過(guò)高，引起樣品狀態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果波動(dòng)加大。在5、10ppm六偏條件下，D50、D97在多次取樣測(cè)試之間的相對(duì)均方差較小，且沒(méi)有趨勢(shì)性的變化，也就意味著此時(shí)粒度測(cè)試結(jié)果隨時(shí)間變化相對(duì)更穩(wěn)定。

與此同時(shí)，不加六偏D50則隨時(shí)間有所上升，D97則略微有下降趨勢(shì)。有可能是團(tuán)聚持續(xù)加劇及顆粒部分溶解造成的。與此同時(shí)也印證了上述，加入合適的六偏能有*分散和抑制溶解效果的結(jié)論。

2.3 不同濕法循環(huán)泵速對(duì)粒度測(cè)試結(jié)果的影響

在加入10ppm六偏，加樣超聲2min后，分別設(shè)定進(jìn)樣器離心泵轉(zhuǎn)速?gòu)?/span>3200rpm逐次下降至1000rpm后，再逐次升高離心泵轉(zhuǎn)速至3200rpm，將兩段所得到的D97，D50參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。

表7：不同泵轉(zhuǎn)速下，LS-POP(9)+SFC-105B測(cè)試樣品D97、D50變化趨勢(shì)

如表7所示，泵速在1800轉(zhuǎn)至3000時(shí)，D50、D97結(jié)果基本保持穩(wěn)定；泵速達(dá)到3200rpm以上時(shí)，液流速度大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差加大。1800rpm以下的泵速，循環(huán)體系對(duì)大顆粒懸浮能力不足，D50、D97測(cè)試結(jié)果有偏小趨勢(shì)。從小到大轉(zhuǎn)速設(shè)定測(cè)量時(shí)，D50、D97波動(dòng)較大，可能的原因是少部分大顆粒部分沉降，難以再懸浮。

3 結(jié)論

(1) 寬分布立磨碳酸鈣粉的激光粒度儀測(cè)試，介質(zhì)中加入適宜濃度的六偏磷酸鈉，可以促進(jìn)重鈣粉體的分散減少團(tuán)聚，同時(shí)減輕其在水介質(zhì)中的溶解，利于其獲得穩(wěn)定且準(zhǔn)確的粒度測(cè)試結(jié)果。

(2) 使用微量進(jìn)樣器時(shí)，由于樣本量少，結(jié)果波動(dòng)相對(duì)普通大容積進(jìn)樣器測(cè)量稍大。多次取樣平均結(jié)果與普通進(jìn)樣器結(jié)果基本一致。

(3) 可以通過(guò)選擇合適的超聲方法和泵速來(lái)使其檢測(cè)結(jié)果更穩(wěn)定可靠，同時(shí)可以減少由于測(cè)樣準(zhǔn)備時(shí)間和測(cè)試時(shí)間的不同而引起的結(jié)果差異。

(4) 不同加工改性工藝的碳酸鈣粉體、粒度儀設(shè)備，獲得寬分布立磨碳酸鈣粉的zui穩(wěn)定的D50、D97、2um含量等結(jié)果的測(cè)試條件會(huì)略有差異，可以根據(jù)實(shí)際情況做好預(yù)實(shí)驗(yàn)，摸索測(cè)試條件。

參考文獻(xiàn)：

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