【应用】使用MS20稳定性分析仪测量分散体系粒子的平均粒径

【方案摘要】

微小颗粒态物质在日程生活和工业生产中有着很广泛的应用，尺寸的大小和分布情况直接关系到工业流程，产品质量以及能源消耗和生产过程的安全性。因此,准确方便地测量微小颗粒的粒径非常重要。粒径的测量可服务于化妆品、化学、制药或食品等多种应用领域。

由北京奥德利诺仪器有限公司代理的，德国德飞 DataPhysics 仪器公司生产的MS20（图1）是一种基于多重光散射原理来评价多项分散体系稳定性以及时间和温度相关的不稳定机制的综合表征仪器。它提供了一种简单快速的方法来测量分散体系中粒子的平均粒径。本文将介绍使用MS20稳定性分析仪对两种聚苯乙烯颗粒的平均粒径进行测量。

【图1】MS 20稳定性分析仪

测量原理：

MS20稳定性分析仪是基于多重光散射原理将一束光摄入液体样品中，样品中悬浮颗粒使进入样品的光发生多次散射（偏离入射方向而向四面八方散射），这种现象称为多重光散射。入射光进入样品后被连续多次散射，最终射出样品的光的强度取决于光的波长、颗粒浓度、颗粒粒径、连续和分散相的折射率、吸收系数。多重光散射技术能够检测分散体系的稳定性，包括分散体系中颗粒粒径随时间的变化、粒子迁移速度、稳定性指数等。该仪器适用于固/液、液/液、气/液等分散体系。

    根据斯托克斯公式以及通过MS20测量计算得到的迁移速率V，可以计算平均粒径𝑑:

其中，Δ𝜌是颗粒和液体之间的密度差；

𝑔是重力加速度，约为9.81 m/s2；

𝜂是液体的粘度。

实验过程：

本次实验使用两种具有不同粒径的聚苯乙烯颗粒（PS1和PS2）(图2）。包装上给出的 PS1 和 PS2 颗粒的粒径分别为 20µm 和 40µm 。悬浮液的溶剂是水，其密度和粘度在室温下分别为 0.998g/cm3 和 1.002mPas 。体积分数为5% 。

【图2】

将制备好的20ml的聚苯乙烯悬浮液倒入样品管中，并将实验条件设置为25°C下每1分钟测量一次，持续测量1小时。测量区域在0mm（样品管底部）和56.5mm（样品管顶部）之间。

（图3）给出了两种聚苯乙烯悬浮液的测量结果。

* 其中Transmission代表透射光，BackScattering代表背散射光；

  * 横坐标从左至右代表样品管从底部（位置0mm ）到顶部（位置56.5mm ）；

* 曲线的颜色编码表示测量的时间，从红色（第一次测量，t=0s）到紫色（最后一次测量，t=1h）。每条曲线代表一个单独的测量值。

【图3】

   图3中的透射图和背散射图清楚地显示了光强的时间依赖性和位置依赖性变化，体现出一个典型的沉降过程。可以看出，由于PS1颗粒的粒径较小，沉降速率慢，PS1的透射和背散射光光强的变化比PS2慢得多。

【图4】PS1悬浮液中粒子的平均迁移速率及平均粒径计算

   利用MS20软件中的相应功能，可以轻松的计算出两种样品粒子的迁移速率，如图4所示，PS1悬浮液中粒子的平均迁移速率为0.6262 mm/min（图4左侧）。再根据软件中的斯托克斯定律计算功能，输入对应的体积分数等参数，只需点击软件中的“计算”即可获得PS1的平均粒径（图4右侧）19.88um。同理，计算出PS2的平均粒径为39.54um（表1）。

（表1）

结论：

    通过MS20测得PS1和PS2平均粒径分别为19.55µm和39.54µm，两个样品的测量结果几乎与生产厂家给出的值一致，这证实了利用MS20测量平均粒径是准确可靠的。

   使用MS20稳定性分析仪及其配备的多功能软件，可以高效准确地测量样品的平均粒径。除此之外，MS20还具备测量样品的均一性、测量样品分层厚度随时间变化、计算稳定性指数、分析分散体系不稳定机制等功能，可广泛应用于精细化工、食品、医药、农药、石油、新能源等多个领域。

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