球形氧化釔粒度測試條件優(yōu)化*

賈佑順，吳洪達，張兵兵，張澤遠

（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006）

化工分析與測試

球形氧化釔粒度測試條件優(yōu)化*

賈佑順，吳洪達，張兵兵，張澤遠

（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006）

詳細研究了激光粒度分析法測量氧化釔粉體粒徑的條件。結(jié)果表明，分散劑的種類及用量、氧化釔粉體用量、超聲波功率和超聲時間等對粉體平均粒徑的測量結(jié)果有較大的影響。對于納米級或亞微米級氧化釔粉體的粒度測量，適宜的條件：用pH為8.0的氫氧化鈉水溶液配制質(zhì)量濃度為1.0 g/L的多聚磷酸鈉溶液作為分散介質(zhì)，氧化釔用量100mg/L，超聲波功率為300W，超聲時間為10min，測試折射率為1.65。

球形氧化釔；粒度；激光粒度分析；測試條件

超細粉體的尺寸大小和粒度分布參數(shù)與材料的性能優(yōu)劣密切相關(guān)［1］，同時也是超細粉體材料在生產(chǎn)制備和應(yīng)用過程中的重要指標。如何準確、快捷地獲取超細粉體的粒度數(shù)據(jù)，對于粉體制備工藝的優(yōu)化至關(guān)重要。因此，超細粉體的測試技術(shù)也越來越受到人們的重視。目前，用于超細粉體粒度測試的方法主要有離心沉降法、激光衍射散射法、電感應(yīng)法和顆粒圖像處理儀等。其中，激光衍射散射法應(yīng)用最為廣泛。激光粒度儀就是以光的散射現(xiàn)象為原理制造的。激光粒度儀具有測試范圍廣、操作快捷、重現(xiàn)性好、可實時在線監(jiān)測測量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于粉體樣品粒徑和粒度分布的測試。在使用激光粒度儀測試樣品的粒度時，樣品粉體需要均勻地分散在分散介質(zhì)中。但是，由于納米顆粒具有較高的表面能，它們會通過軟團聚的方式來達到穩(wěn)定的狀態(tài)。團聚的產(chǎn)生給準確地反映粉體的信息參數(shù)帶來了難度。因此，使被測粉體以均勻、不團聚、不沉降的狀態(tài)分散在介質(zhì)中是準確測定樣品粒度的先決條件。周新木等［2］研究了不同分散劑對分散體系穩(wěn)定性的影響。研究表明，如果分散劑能夠使分散體系Zeta電位的絕對值越大，那么測試的結(jié)果越接近粉體粒度的真實值，即測試越準確。目前，采用激光粒度分析儀測試粉體粒度的研究報道很多［3-4］。如劉亞青等［5］采用激光粒度儀，以十二烷基苯磺酸鈉和六偏磷酸鈉為分散劑，對自制近納米級的氫氧化鋁粒徑進行了研究，考察了氫氧化鋁用量、靜置時間、超聲時間、分散體系等因素對測試結(jié)果的影響，通過與氫氧化鋁所測電鏡照片對比得出了穩(wěn)定可靠的測試條件。宋波等［6］利用激光粒度儀對納米碳酸鎂鋁的粒徑進行了測量研究，考察了分散劑種類和超聲時間等因素對測試結(jié)果的影響，并將測量結(jié)果與電鏡照片對比，得到了較佳的測量條件。筆者采用英國Malvan公司Zetasizer Nano ZSP型激光粒度分析儀，對氧化釔粉體粒度測定中的各種影響因素進行了研究，得到了測定氧化釔粉體粒度的優(yōu)化測試條件，且測試結(jié)果具有較好的重現(xiàn)性和準確性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：十二烷基苯磺酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、六偏磷酸鈉、多聚磷酸鈉、氫氧化鈉、聚乙二醇6000、聚乙二醇4000、聚乙二醇10000、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、無水乙醇（C2H5OH），均為分析純。

儀器：ZetasizerNano ZSP納米粒度、Zeta電位和絕對分子量分析儀；JSM-7800F Prime場發(fā)射掃描電鏡（SEM）；KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器。

1.2 氧化釔粒徑測試步驟

準確稱量超細氧化釔粉體于1 000mL燒杯中，用量筒精確量取500mL去離子水加入燒杯中，加入不同類型的分散劑，用玻璃棒初步攪拌均勻，然后在超聲儀中超聲分散一定的時間，用注射器吸取分散好的液體快速放入樣品池中，測定樣品的平均粒徑及分散液的Zeta電位。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化釔粉體SEM分析

首先制備出不同粒徑的氧化釔粉體，對其進行SEM分析，結(jié)果見圖1。a樣品平均粒徑約130 nm，b樣品平均粒徑約50 nm，a、b樣品粒徑均一且基本無團聚；c樣品粒度分布較寬，為100～300 nm。先用a樣品為標準進行測試條件的優(yōu)化，找到最佳測試條件，再用b、c樣品對最佳測試條件進行驗證。

圖1 不同粒徑氧化釔粉體SEM照片

2.2 分散劑種類及用量對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響

選擇分散劑水溶液質(zhì)量濃度為1.0 g/L、超聲波功率為300W、超聲分散時間為4min、氧化釔質(zhì)量濃度為100mg/L、折射率為1.70，考察分散劑種類對氧化釔粒徑測試結(jié)果的影響，結(jié)果見表1。由表1可見，采用多聚磷酸鈉為分散劑時氧化釔的平均粒徑測試結(jié)果最小且分散系數(shù)較小。這個結(jié)果與測得的含有多聚磷酸鈉分散體系Zeta電位絕對值最大相對應(yīng)，表明氧化釔顆粒表面帶有更多的電荷，顆粒間的靜電排斥力增強，顆粒彼此間很難再靠近，可以使氧化釔顆粒呈現(xiàn)良好的懸浮狀態(tài)，有利于測試的準確性。通過與大分子分散劑（PEG）的空間位阻作用對比，也說明在較稀的分散體系下粉體的分散主要還是靠顆粒間的靜電排斥力作用。

表1 不同分散劑對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響

用不同質(zhì)量濃度的多聚磷酸鈉水溶液制得氧化釔懸濁液，氧化釔粒徑測試結(jié)果見表2。由表2可見，隨著多聚磷酸鈉用量的增加氧化釔平均粒徑先減小后增大，Zeta電位絕對值先增大后減小。顯然，當多聚磷酸鈉用量較少時，顆粒吸附的電荷不足，顆粒間產(chǎn)生的靜電排斥力較小，造成顆粒團聚；當多聚磷酸鈉用量太大時，在大量離子的作用下顆粒表面的雙電層厚度被壓縮，Zeta電位絕對值降低，液相中顆粒的分散性變差，造成測試結(jié)果偏大。因此，只有適量加入分散劑才能使顆粒在液相中分散較好，呈單顆粒狀態(tài)，利于測試結(jié)果的準確性。

表2 多聚磷酸鈉用量對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響

2.3 折射率及氧化釔粉體用量對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響

1）折射率對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響。目前，微米顆粒特別是納米顆粒折射系數(shù)的確定一直沒有統(tǒng)一的方法。耿淑華等［7］研究了顆粒折射率的確定方法，認為在運用馬爾文激光粒度儀時，對于測量粒徑較大的顆粒，顆粒的折射率對測量結(jié)果影響不大，可以不考慮顆粒折射率的影響；而對于亞微米級小顆粒，特別是對納米級顆粒的測量，則需要同時提供顆粒與分散介質(zhì)的折射率。顆粒測量結(jié)果的準確性與可靠性，取決于輸入折射率與實際折射率的偏差大小。分散介質(zhì)的折射率可以比較容易地從文獻資料中查得（如水的折射率為1.330），而待測顆粒折射率的獲得較為困難，需要通過實驗確定。選擇多聚磷酸鈉用量為1.0 g/L、氧化釔質(zhì)量濃度為100mg/L，超聲波功率為300W，超聲時間為4min，考察不同折射率條件下氧化釔粉體粒徑的測試結(jié)果，見圖2a。由圖2a可知，折射率對氧化釔粉體平均粒徑的測量結(jié)果有較大的影響。當輸入折射率與樣品實際折射率的偏差較大時，測量結(jié)果與實際粒度相差也越大。對于納米氧化釔懸濁液的測量，折射率選擇1.65比較合適。

2）氧化釔粉體用量對其粒徑測試結(jié)果的影響。選擇多聚磷酸鈉用量為1.0 g/L、折射率為1.65，超聲波功率為300W，超聲時間為4min，考察氧化釔粉體用量對其粒徑測試結(jié)果的影響，見圖2b。由圖2b可見，隨著氧化釔用量的增加，氧化釔平均粒徑的測試結(jié)果呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。原因可能是，氧化釔用量較大時單位體積粒子數(shù)量較大，碰撞頻率大，導(dǎo)致顆粒團聚，造成平均粒徑測試結(jié)果偏大。當然，分散體系中顆粒太過密集也會造成光束受到阻擋而無法正常穿過，光電探測器無法獲得準確的光強分布信息，使得測試結(jié)果出現(xiàn)偏差。當氧化釔用量太少時，一方面會導(dǎo)致取樣不具有代表性，使得測試隨機誤差大；另一方面會導(dǎo)致單位體積粒子個數(shù)太少，顆粒散射光信號強度不夠，使得測試結(jié)果不準確。因此，氧化釔粉體的用量在100～150mg/L為宜。

圖2 折射率（a）及氧化釔粉體用量（b）對氧化釔粉體粒徑測試結(jié)果的影響

2.4 pH對氧化釔懸濁液穩(wěn)定性的影響

用不同pH的氫氧化鈉水溶液配制質(zhì)量濃度為100mg/L的氧化釔懸濁液，放入比色管中靜置觀察，見圖3。隨著pH增大氧化釔懸濁液穩(wěn)定性下降，溶液pH越大氧化釔顆粒沉降的速度越快。在體系pH為8.0時氧化釔懸濁液的穩(wěn)定性最好，24 h不沉降。實驗表明，適量氫氧化鈉的加入可以讓氧化釔顆粒表面帶一定量的電荷，使顆粒間產(chǎn)生的靜電斥力大于吸引力，粉體顆粒處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)而不下沉；而當分散液中氫氧化鈉的濃度太高時，大量離子就會壓縮顆粒表面雙電層的厚度，導(dǎo)致顆粒間靜電斥力小于其引力，造成顆粒團聚而下沉。

圖3 pH對氧化釔分散體系穩(wěn)定性的影響

用pH為8.0的氫氧化鈉水溶液配制質(zhì)量濃度為1.0 g/L的多聚磷酸鈉溶液，并制成質(zhì)量濃度為100mg/L的氧化釔懸濁液，取氧化釔測試折射率為1.65，超聲波功率為300W，超聲時間為4min，氧化釔粒徑測試結(jié)果見表3。由表3發(fā)現(xiàn)，用pH為8.0的氫氧化鈉水溶液制成的多聚磷酸鈉溶液為分散劑，氧化釔粒子所帶電荷更多，粒子間斥力更大、分散性更好，體系更穩(wěn)定。

表3 氫氧化鈉和多聚磷酸鈉分散體系對氧化釔樣品粒徑測試結(jié)果的影響

2.5 超聲強度和超聲時間對氧化釔粒徑測試結(jié)果的影響

為考察制備懸濁液時超聲波功率對樣品粒徑測試結(jié)果的影響，用pH為8.0的氫氧化鈉水溶液配制質(zhì)量濃度為1.0 g/L的多聚磷酸鈉溶液作為分散介質(zhì)，氧化釔用量為100mg/L，超聲時間為4min，取測試折射率為1.65，在不同超聲波功率下測試氧化釔顆粒的粒徑，結(jié)果見表4。隨著超聲波功率的提高，測得樣品的平均粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這是因為，超聲波功率較小時，不足以打碎軟團聚體，測試結(jié)果偏大；當超聲波功率太大時，容易使分散介質(zhì)溫度升高，氧化釔顆粒間碰撞頻率加劇，造成已經(jīng)分散開的顆粒再次聚集在一起，故氧化釔粒徑的測試結(jié)果變大。因此，選擇超聲波功率為300W較適宜。

表4 超聲波功率對氧化釔粒徑測試結(jié)果的影響

選定超聲波功率為300W，研究超聲分散時間對氧化釔粒徑測試結(jié)果的影響，樣品粒徑測試結(jié)果見圖4。

圖4 超聲分散時間對氧化釔粒徑測試結(jié)果的影響

由圖4看出，隨著超聲時間的增加測得樣品的粒徑逐漸減小，在超聲時間為10min時測得樣品的粒徑達到最小值，與氧化釔的SEM分析結(jié)果基本一致。隨著超聲時間繼續(xù)延長，分散介質(zhì)溫度開始慢慢升高，顆粒間的碰撞頻率增大，造成已分散開的顆粒因碰撞而重新聚集在一起，導(dǎo)致測試結(jié)果變大。

2.6 實驗數(shù)據(jù)重現(xiàn)性

用pH為8.0的氫氧化鈉水溶液配制質(zhì)量濃度為1.0 g/L的多聚磷酸鈉溶液作為分散介質(zhì)，氧化釔用量100mg/L，超聲波功率為300W，超聲時間為10min，取測試折射率為1.65，平行測試6次，得到氧化釔平均粒徑測試結(jié)果，見表5。從表5可見，測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性很好，相對標準偏差很小（0.84%）。

表5 重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

2.7 測試優(yōu)化條件驗證

采用優(yōu)化條件分別對a、b、c氧化釔樣品懸濁液進行粒徑測試，結(jié)果見圖5。a樣品主要由粒徑為100～200 nm的粒子組成；b樣品主要由粒徑為35～75 nm的粒子組成，粒徑分布區(qū)間較??；c樣品主要由粒徑為110～600 nm的粒子組成，粒徑分布區(qū)間較大。驗證測試結(jié)果與SEM結(jié)果基本一致，可以認為獲得的優(yōu)化測試條件適合于納米級至亞微米級氧化釔粉體的粒徑測量。同時也可為其他稀土氧化物的粒度測定提供一定的參考。當然，激光粒度儀與SEM照片給出的粒度信息是否一致取決于粉體的團聚情況，若粉體不團聚則二者測試結(jié)果一致；若粉體團聚現(xiàn)象嚴重、分散性差，則二者測試結(jié)果偏差較大。

圖5 不同粒徑氧化釔激光粒度分布測試結(jié)果

3 結(jié)論

使用激光粒度分析儀測量氧化釔粉體的粒徑，分散介質(zhì)的組成對懸濁液的穩(wěn)定性有顯著的影響，制備懸濁液時超聲波功率和超聲時間對固體的分散效果有影響，對納米級或微米級固體形成的懸濁液進行粒徑測量時必須選擇合適的折射率。

［1］王惠玲.超細粉體粒度測試方法淺析［J］.無機鹽工業(yè)，2004，36（4）：49-51.

［2］周新木，張麗，曾慧慧，等.超細、納米氧化鋅激光粒度分析研究［J］.硅酸鹽通報，2007，26（1）：212-216.

［3］于曉微，付春明，張曉波，等.激光粒度儀測定錳酸鋰粒度的條件試驗［J］.無機鹽工業(yè)，2014，46（6）：62-63，71.

［4］劉潤靜，靳悅淼，趙華，等.激光粒度儀測定納米硫酸鋇粉體粒度的研究［J］.無機鹽工業(yè)，2014，46（8）：37-40.

［5］劉亞青，劉玉敏，胡永琪.激光粒度儀測定近納米氫氧化鋁粒徑的研究［J］.現(xiàn)代化工，2015，35（3）：175-177.

［6］宋波，張?zhí)烊溃顛?，?用激光粒度儀測定納米碳酸鎂鋁粉體粒度［J］.無機鹽工業(yè)，2012，44（5）：53-54.

［7］耿淑華，丁偉中，郭曙強.激光粒度分析中顆粒折射率的確定方法［J］.上海金屬，2014，36（2）：1-4.

Optim ization on test conditionsof particle sizeof sphericalyttrium oxide

Jia Youshun，Wu Hongda，Zhang Bingbing，Zhang Zeyuan
（College of Biologicaland Chemical Engineering，GuangxiUniversity ofScience and Technology，Liuzhou 545006，China）

The conditionsofmeasuring the particle size ofyttrium oxide powderby laser particle size analysiswere studied in detail.The results showed that the type and amountof dispersant，the amountof yttrium oxide powder，ultrasonic power，and ultrasonic time had great influence on the test resultsof the average particle size of the powder.For themeasurementof particle size ofnanometeror submicron powderofyttrium oxide，the suitable conditionswereobtained as follows:preparing 1.0 g/L poly sodium phosphate solution with sodium hydroxidewith pH of8.0 as the dispersionmedium，the dosage of yttrium oxide was100mg/L，ultrasonic powerwas300W，ultrasonic timewas10min，and refraction ratewas1.65.

sphericalyttrium oxide；particle size；laserparticle sizeanalysis；measuring condition

TQ133.23

A

1006-4990（2017）06-0081-04

2017-01-16

賈佑順（1987—），男，碩士研究生，研究方向為無機功能材料制備。

吳洪達（1958—），男，教授，碩士生導(dǎo)師。

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻1598007-25）。

聯(lián)系方式：whongda@126.com