多重光散射儀測(cè)定拉絲液穩(wěn)定性的應(yīng)用

姚榮文， 黃代忠， 張立彥

（珠海格力電工有限公司，珠海 518100）

0 引言

漆包線作為電磁能轉(zhuǎn)換的核心材料，廣泛用于電力、機(jī)電、電氣設(shè)備、家用電器、電子等領(lǐng)域。 漆包線制造業(yè)曾經(jīng)屬于我國(guó)高新科技行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，漆包線的應(yīng)用端（如電機(jī)、電器等）均向小型化、輕量化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)漆包線的性能要求也越來(lái)越高。

按照GB／T 3952—2016《電工用銅線坯》規(guī)定，漆包線制造通常需要把電工用銅桿φ8.0 mm 經(jīng)過(guò)多道模具擠壓拉細(xì)，分為大、中、?。⒗O(shè)備，可拉細(xì)到直徑只有幾十個(gè)微米的規(guī)格線。 銅絲拉伸后經(jīng)過(guò)反復(fù)涂覆不同類別絕緣漆，并經(jīng)高溫烘烤固化后，制得各種不同耐熱等級(jí)及相應(yīng)性能要求的漆包線。銅桿拉絲的質(zhì)量對(duì)漆包線的電性能和機(jī)械性能影響較大。

在拉絲過(guò)程中，拉絲液起到潤(rùn)滑、清潔、冷卻、抗氧化等多種作用。 拉絲液的選型與使用過(guò)程中，需要關(guān)注的問(wèn)題有：①金屬拉細(xì)時(shí)產(chǎn)生大量粉末顆粒；②拉絲液中油脂酸敗，滋生細(xì)菌；③其他雜物掉入拉絲池中；④拉絲液穩(wěn)定性不好，性能易變化。 針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題，漆包線企業(yè)對(duì)拉絲液的使用摸索出了各自的一套經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于拉絲液穩(wěn)定性問(wèn)題卻鮮有研究，主要還是依據(jù)供應(yīng)商推薦和長(zhǎng)周期試用結(jié)果驗(yàn)證。

目前，研究乳液穩(wěn)定性常用方法有目測(cè)法、比色法、濁度法等［1］，本工作采用了多重光散射技術(shù)分析，該方法不僅能快速判定油水分層、浮沉現(xiàn)象，還能獲得乳液微觀變化（如乳滴粒徑變化，滴液之間的團(tuán)聚等）及體系穩(wěn)定性隨溫度變化而波動(dòng)的信息。 與傳統(tǒng)方法相比，多重光散射技術(shù)分析法更便捷高效，具有很大的優(yōu)越性［2］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Turbiscan 型多重光散射儀［3］。

1.2 試樣樣品

兩種不同品牌的拉絲油，按實(shí)際使用濃度配成拉絲液：標(biāo)記為樣品D 和樣品H。

1.3 試驗(yàn)方法

將兩種配制好的拉絲液樣品分別放入20 mL的測(cè)量池內(nèi)，將樣品池置入多重光散射儀內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)量溫度在25～50 ℃之間。

2 試驗(yàn)原理

多重光散射儀是由一個(gè)脈沖式的近紅外光源（波長(zhǎng)為880 nm ） 和兩個(gè)同步的檢測(cè)器組成，圖1為Turbiscan 型多重光散射儀檢測(cè)原理示意圖。

圖1 Turbiscan 型多重光散射儀檢測(cè)原理示意圖

透射光檢測(cè)器是用于研究透明清澈的溶液，背散射光檢測(cè)器是用于研究高濃度的溶液。 通過(guò)光源發(fā)射的光對(duì)樣品從樣品管的底部頂部每間隔20 μm測(cè)量一次，完成樣品池從底到頂?shù)臏y(cè)量稱為一次掃描。 檢測(cè)器收集透射光強(qiáng)度（T）和背散射光強(qiáng)度（BS）數(shù)據(jù)，每次掃描得到一條譜線，經(jīng)過(guò)多次掃描，可得到一張圖譜。 由于透射光和背散射光強(qiáng)度是直接由分散相的粒子大小和體積百分比濃度變化決定，因此從圖譜變化信息就可以確定樣品溶液的濃度或粒徑的變化，從而對(duì)樣品溶液中由于聚結(jié)、絮凝或團(tuán)聚現(xiàn)象造成的粒子粒徑的變化及位置的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以此來(lái)表征樣品的穩(wěn)定性。

（1）粒子大小。 粒子大小對(duì)背散射光和透射光光強(qiáng)的影響見(jiàn)圖2 和圖3。

由圖2 可知，以600 nm 為界，當(dāng)顆粒粒徑小于600 nm 時(shí)，背散射光的強(qiáng)度是隨著顆粒粒徑的增大而增加；當(dāng)顆粒粒徑大于600 nm 時(shí)，背散射光的強(qiáng)度是隨著顆粒粒徑的增大而降低。

圖2 顆粒粒徑大小對(duì)背散射光強(qiáng)度的影響

由圖3 可知：以2000 nm 為界，當(dāng)顆粒粒徑小于2000 nm 時(shí)，透射光的強(qiáng)度是隨著顆粒粒徑的增大而降低；當(dāng)顆粒粒徑大于2000 nm 時(shí)，透射光的強(qiáng)度是隨著顆粒粒徑的增大而增加。

圖3 顆粒粒徑大小對(duì)透射光強(qiáng)的影響

（2）體系的體積百分比濃度。 樣品溶液的體積濃度對(duì)光強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4［4］。

圖4 樣品溶液的體積濃度對(duì)光強(qiáng)度影響

由圖4 可知，樣品溶液濃度低時(shí)體系透射光通過(guò)率高，但隨體系的體積百分比濃度的增加而降低。達(dá)到一定濃度后，透射光通過(guò)率幾乎為零，但背散射光的強(qiáng)度開(kāi)始隨體系的體積百分比濃度的增加而逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)米氏（Mie） 散射理論［5-6］，當(dāng)光射到低透明度的物體上時(shí)，其背散射光強(qiáng)（IB） 與光子傳輸平均自由程（l*） 的平方根成反比：

其中：

Φ為粒子體積分?jǐn)?shù)；d為粒子平均直徑；g、Qs均為米氏理論中的參數(shù)。

忽略吸收和損耗，透射光強(qiáng)（IT）與散射光強(qiáng)互補(bǔ)，兩者的和等于設(shè)備入射光強(qiáng)（Ii）。

3 結(jié)果與討論

3.1 粒徑變化分析

在相同試驗(yàn)條件下，測(cè)得兩種樣品在25 ℃時(shí)和50 ℃時(shí)體系中初始平均粒徑值，見(jiàn)表1。 此外，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（24 h）反復(fù)掃描［7］，可觀察體系中粒徑的變化，得到25 ℃和50 ℃時(shí)樣品D 及樣品H 粒徑中值變化分別見(jiàn)圖5，圖6。

表1 25 ℃和50 ℃時(shí)兩種樣品體系中初始平均粒徑μm

圖5 樣品D 在25 ℃和50 ℃時(shí)粒徑中值隨掃描時(shí)間變化

圖6 樣品H 在25 ℃和50 ℃時(shí)粒徑中值隨掃描時(shí)間變化

由表1 可知：樣品D 和樣品H 在25 ℃和50 ℃時(shí)體系中初始平均粒徑并無(wú)明顯差異。

由圖5 可知：樣品D 在25 ℃和50 ℃時(shí)粒徑中值穩(wěn)定，不隨掃描時(shí)間的變化而變化。

由圖6 可知：樣品H 在50 ℃時(shí)并不穩(wěn)定，粒徑中值隨掃描時(shí)間逐漸增大。

3.2 光強(qiáng)變化ΔT 分析

軟件設(shè)定第一次掃描結(jié)果為藍(lán)色，最后一次掃描為紅色。 測(cè)得透射光或背散光的強(qiáng)度。 為了方便分析，將透射光或背散光的數(shù)據(jù)設(shè)置為參比模式，第一條線為參比值，其余的線都與他相比較，得到△T。光強(qiáng)增加時(shí)△T是正值，光強(qiáng)降低時(shí)△T為負(fù)值。 經(jīng)過(guò)程序設(shè)定多次掃描后（總掃描時(shí)間約24 h），分別得到兩種樣品在25 ℃和50 ℃時(shí)粒徑數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)，以及樣品池內(nèi)各高度的透射光△T或背散光△BS的變化。 圖7～圖9 中橫坐標(biāo)（高度）代表是樣品池從底部到掃描位置的距離，最大處為乳液表層。

當(dāng)透射光強(qiáng)大于0.2% 時(shí)使用透射光進(jìn)行分析，否則應(yīng)采用背散射光進(jìn)行分析。 樣品D 的透射光強(qiáng)度大于0.2%，因此只看透射光△T變化。 樣品H 在25 ℃時(shí)底部透射光強(qiáng)度較大，其他位置透射光強(qiáng)度小于0.2%，所以當(dāng)25 ℃時(shí)要同時(shí)分析透射光△T和背散射光△T隨掃描時(shí)間變化；而當(dāng)50 ℃時(shí)樣品H 透射光強(qiáng)度均小于0.2%，所以當(dāng)50 ℃時(shí)分析背散射光△T隨掃描時(shí)間變化。

在25 ℃時(shí)和50 ℃時(shí)H 樣品池及D 樣品池內(nèi)各高度透射光強(qiáng)變化△T隨掃描時(shí)間變化見(jiàn)圖7，圖8。

圖7 在25 ℃時(shí)和50 ℃時(shí)樣品D 的池內(nèi)各高度透射光強(qiáng)△T 隨掃描時(shí)間變化

由圖7 可知，在25 ℃時(shí)和50 ℃時(shí)，樣品D 的池內(nèi)各高度的透射光強(qiáng)△T值隨掃描時(shí)間變化很小，說(shuō)明樣品D 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的上浮或者分層現(xiàn)象。

由圖8 可知，在25 ℃時(shí)，樣品H 的池底透射光強(qiáng)△T和頂部背散射光強(qiáng)△T隨掃描時(shí)間逐漸增大，樣品同時(shí)出現(xiàn)了底部析清分層和頂部上浮分層；在50 ℃時(shí)，樣品H 池頂部出現(xiàn)上浮分層，中間高度位置出現(xiàn)了輕微的顆粒團(tuán)聚。

圖8 樣品H 的池內(nèi)各高度多重光強(qiáng)參比值隨掃描時(shí)間變化

3.3 拉絲液體系穩(wěn)定性

可以用簡(jiǎn)單的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)的值表征樣品整個(gè)體系的穩(wěn)定性［8］，計(jì)算公式為從式（4）可知：穩(wěn)定性指數(shù)是一個(gè)數(shù)學(xué)差值的計(jì)算公式。 指數(shù)越小，樣品的穩(wěn)定性越好，一般認(rèn)為樣品的穩(wěn)定性指數(shù)小于0.2，說(shuō)明樣品穩(wěn)定性極好。 兩種樣品在25 ℃和50 ℃時(shí)穩(wěn)定性指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 樣品在25 ℃和50 ℃時(shí)穩(wěn)定性指數(shù)

由表2 可知：①樣品D 在常溫和高溫條件下穩(wěn)定性都遠(yuǎn)高于樣品H；②樣品D 在高溫條件下穩(wěn)定性比常溫更好；③樣品H 在常溫條件下穩(wěn)定性比高溫更好。

體系不穩(wěn)定因素分析如下：

（1）分散相均勻性。 均勻度指數(shù)是取樣品池中部位置10～30 mm 處所有背散光數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）的計(jì)算：

其中：

分散均勻性指數(shù)表征了樣品中各個(gè)分散組分在體系中的分散均勻性程度，分散均勻性指數(shù)越大，樣品的分散均勻性程度越差。 一般而言，當(dāng)分散均勻性指數(shù)小于0.2 時(shí)表明分散程度較好。 樣品分散均勻性指數(shù)見(jiàn)表3。

表3 樣品分散均勻性指數(shù)

由表3 結(jié)果可知：兩種樣品的分散均勻性指數(shù)均太理想，相對(duì)而言樣品D 的分散均勻性明顯好于樣品H。

（2）背散射光強(qiáng)變化量。 一般而言，背散射光強(qiáng)變化量在0.2 以內(nèi)為樣品的顆粒變化在可接受范圍之內(nèi)。 背散射光強(qiáng)變化值見(jiàn)表4。

表4 背散射光強(qiáng)變化值

由表4 可知，樣品H 在50 ℃條件下的背散射光強(qiáng)度變化量為0.41，說(shuō)明該樣品50 ℃時(shí)存在顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象。

（3）背散射光強(qiáng)絕對(duì)值。 該數(shù)值與樣品的組成以及粒度和濃度有一定的相關(guān)性。 兩個(gè)樣品的背散射光強(qiáng)絕對(duì)值見(jiàn)表5。

表5 背散射光強(qiáng)絕對(duì)值

由表5 可知：兩個(gè)樣品有很大的差別，對(duì)于濃度相同、分散工藝相似的樣品D 與樣品H 來(lái)說(shuō)，兩個(gè)樣品的配方組成存在很大差異。

（4）分層穩(wěn)定性。 針對(duì)兩組樣品池的底部與頂部分層峰做分析，峰高值越大，說(shuō)明樣品分層濃度變化越大，一般認(rèn)為峰高在5%以下，樣品較為穩(wěn)定，不容易分層。 樣品池底部、頂部峰高值見(jiàn)表6。

表6 樣品池底部和頂部峰高結(jié)果

由表6 可知：樣品D 穩(wěn)定性較好，基本不會(huì)發(fā)生分層。 樣品H 在常溫條件下容易發(fā)生底部析清分層，同時(shí)頂部明顯上浮分層；而在高溫條件下頂部分層變小，底部分層消失。 說(shuō)明提高溫度有利于樣品H 的穩(wěn)定性。

此外，樣品H 的頂部峰隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖9。

圖9 樣品H 頂部峰高隨時(shí)間變化曲線

由圖9 可知：在多重光散射儀掃描樣品池2 h后，就能清晰分辨出樣品H 的穩(wěn)定性發(fā)生明顯變化。 與其他分析方法相比，使用多重光散射儀測(cè)定拉絲液體系的穩(wěn)定性更便捷且更節(jié)省時(shí)間。

4 結(jié) 論

通過(guò)上述研究可以得到如下結(jié)論：

（1）使用多重光散射儀可以快捷測(cè)定相同使用條件下，不同品牌、型號(hào)拉絲液之間的差異。 為拉絲液的前期選型提供可靠依據(jù)。

（2）使用多重光散射儀可以快速測(cè)定拉絲液顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象以及粒徑結(jié)構(gòu)變化。 濃度穩(wěn)定性是影響拉絲加工質(zhì)量的重要因素。

（3）使用多重光散射儀可以快速測(cè)定拉絲液在不同使用溫度下的穩(wěn)定性。 為漆包線拉絲工藝的制定提供改善依據(jù)。

（4）對(duì)于一些有能力自行調(diào)配拉絲液的企業(yè)來(lái)說(shuō)，使用多重光散射儀還有助于配方開(kāi)發(fā)、分散工藝調(diào)整等。