陳 雯 ，龍 翔 ，李海艷 ，楊 輝 ，賈貴發(fā) ，金婭秋

［1.貴研檢測(cè)科技（云南）有限公司，云南昆明650106；2.云南冶金新立鈦業(yè)有限公司］

激光散射法是用來(lái)測(cè)試超細(xì)粉體材料粒徑的一種有效方法，激光粒度儀的工作原理基于光散射和衍射理論，根據(jù)粒子可以使光發(fā)生散射的物理現(xiàn)象來(lái)測(cè)量粒度分布。根據(jù)米氏散射 （Mie Scattering）理論，基于顆粒的總體折射率計(jì)算一定粒徑相對(duì)于總體積分?jǐn)?shù)，從而得到粉體顆粒的粒度體積分布［1-2］。

氣相氧化法制備二氧化鈦是利用TiCl4和O2在高溫氣相下發(fā)生反應(yīng)生成二氧化鈦粒子，由于其純度高，具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)，優(yōu)良的光電性質(zhì)，以及優(yōu)異的顏料性能，是廣泛使用和行之有效的白色顏料，其可廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、紙張、油墨、橡膠等領(lǐng)域［3-4］。氣相氧化法制備的二氧化鈦粒徑細(xì)，一般為200～350 μm，因此其粒度分布情況成為了評(píng)價(jià)其質(zhì)量十分重要的指標(biāo)之一。

激光粒度分析儀測(cè)定二氧化鈦粒度分布的制樣條件影響因素已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［5］，本研究采用激光粒度儀測(cè)定氣相氧化法二氧化鈦的粒徑，用去離子水作為分散介質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%（以P2O5計(jì)）的六偏磷酸鈉溶液為分散劑，在磁力攪拌和超聲波的條件下使二氧化鈦完全分散于去離子水中，重點(diǎn)討論激光粒度儀的折射率、吸收率和遮光度參數(shù)設(shè)定對(duì)粒徑測(cè)定的影響，從而找出最優(yōu)測(cè)試條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：氣相氧化法二氧化鈦（工業(yè)級(jí)，某氯化法鈦白粉公司）；六偏磷酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）。

儀器：Master sizer 2000型激光粒度儀（濕法進(jìn)樣）、VEGA-3SBH 型掃描電鏡（SEM）、UltimaⅣ型 X射線衍射儀、TH-200BQ6型超聲波清洗機(jī)、79-1型磁力攪拌器、50 mL燒杯。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取0.10 g金紅石型二氧化鈦置于50 mL燒杯中，加入20L水，并加入10滴六偏磷酸鈉溶液。磁力攪拌器上攪拌3min，在100%的超聲功率下超聲分散5 min，并將完全分散的樣品置于激光粒度儀濕法進(jìn)樣器中做粒徑測(cè)定。其粒徑測(cè)定的實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 折射率的確定

光線通過(guò)2種不同介質(zhì)界面時(shí)由于光速發(fā)生變化而引起入射方向變化，光的入射角與折射角的正弦之比稱為折射率。折射率與材料的本身屬性有關(guān)［6］。二氧化鈦有金紅石型、銳鈦型和板鈦型3種晶型結(jié)構(gòu)，不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的折射率。工業(yè)應(yīng)用常見(jiàn)的二氧化鈦晶型為金紅石型和銳鈦型，其折射率分別為2.71和2.52。因此要想確定折射率，必須先對(duì)二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。通過(guò)X射線衍射儀分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，XRD測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)樣品在2θ=27.5°附近有明顯的金紅石特征峰［7］，因此，確定氣相氧化法制備的二氧化鈦為金紅石型二氧化鈦，進(jìn)而確定激光粒度分析儀的折射率為2.71。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品的XRD譜圖

2.2 吸收率的影響研究

對(duì)于激光粒度分析儀，吸收率通常是10的倍數(shù)，較常選擇的數(shù)值為0.001、0.01、0.1和1。分析結(jié)果的準(zhǔn)確度通?？梢酝ㄟ^(guò)殘差來(lái)判斷，殘差是指以光學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，光強(qiáng)數(shù)據(jù)的理論值與其實(shí)測(cè)值的最小二乘擬合差值，通常認(rèn)為較小的殘差值代表測(cè)試結(jié)果具有高的可信度［8］。設(shè)置激光粒度分析儀的顆粒折射率為 2.71，分別設(shè)定吸收率為1、0.1、0.01和0.001，其粒徑測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。從圖3和表1可見(jiàn)，隨著吸收率變大，殘差值先變小后變大。在吸收率為0.1時(shí)，二氧化鈦的粒度粒徑呈較好的正態(tài)分布，且樣品的殘差值最小，因此其最佳的吸收率為0.1。

圖3 吸收率對(duì)測(cè)定二氧化鈦粒徑分布的影響

表1 不同吸收率測(cè)定的平均粒徑（D50）和殘差值

2.3 遮光度對(duì)粒徑測(cè)定的影響

在二氧化鈦的粒徑測(cè)試中，遮光度的控制起到關(guān)鍵性作用。激光粒度分析儀的測(cè)試原理是通過(guò)樣品的激光損耗來(lái)確定樣品濃度，遮光度是指測(cè)量過(guò)程中每個(gè)激光束中存儲(chǔ)多少樣品的指數(shù)［9］，其大小與分離顆粒的折射率和激光粒度分析儀設(shè)定的吸收率有關(guān)。設(shè)定測(cè)試粉體顆粒的折射率為2.71、激光粒度分析的吸收率為0.1，將樣品分別在遮光度為5%、10%、15%、20%、25%、30%的條件下進(jìn)行粒徑測(cè)試，其粒徑測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，隨著遮光度的增加，粒徑分布曲線的變化并不明顯，但當(dāng)遮光度大于20%時(shí)，平均粒徑明顯變大，且殘差值變大。較大的殘差值主要是由于遮光度太高以及分散到介質(zhì)中的顆粒具有較高的黏度，大量的顆粒使激光發(fā)生多次衍射和散射，影響了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，最佳的遮光度為5%～15%，本研究選擇遮光度為10%。

圖4 遮光度對(duì)測(cè)定二氧化鈦粒徑分布的影響

圖5 不同遮光度測(cè)定的平均粒徑（D50）和殘差值

2.4 在最佳儀器參數(shù)下測(cè)定粒徑

將制備好的氣相氧化法二氧化鈦懸浮液在折射率為2.71、吸收率為0.1、遮光度為10%的儀器參數(shù)條件下進(jìn)行粒徑測(cè)定，其粒徑的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖6。從粒度分析結(jié)果可知，最佳條件下測(cè)得的平均粒徑（D50）為 0.329 μm，且粒度呈較好的正態(tài)分布。

圖6 在最佳儀器參數(shù)下測(cè)量二氧化鈦的粒徑分布

2.5 準(zhǔn)確度的驗(yàn)證

圖7 為實(shí)驗(yàn)樣品的掃描電鏡（SEM）照片。圖8為采用Nano Measurer 1.2軟件統(tǒng)計(jì)的粒徑分布圖。從圖 7和圖 8可以看出，樣品平均粒徑（D50）為0.315 μm，該結(jié)果與激光粒度儀測(cè)試結(jié)果接近，其差異主要是由于激光粒度儀測(cè)試的為二次粒子，而SEM測(cè)試的為一次粒子。

圖7 二氧化鈦樣品的SEM照片

圖8 SEM測(cè)定二氧化鈦的粒徑分布

3 結(jié)論

研究表明，激光粒度分析儀測(cè)定氣相氧化法二氧化鈦?zhàn)罴褏?shù)：折射率為2.71、吸收率為0.1、遮光度為10%。在此條件下測(cè)定二氧化鈦樣品的平均粒徑 （D50）為0.329 μm，且粒徑分布呈正態(tài)分布，與SEM表征分析的結(jié)果接近。