【應用】使用MS20穩定性分析儀測量分散體系粒子的平均粒徑

【方案摘要】

微小顆粒態物質在日程生活和工業生產中有著很廣泛的應用，尺寸的大小和分布情況直接關系到工業流程，產品質量以及能源消耗和生產過程的安全性。因此,準確方便地測量微小顆粒的粒徑非常重要。粒徑的測量可服務于化妝品、化學、制藥或食品等多種應用領域。

由北京奧德利諾儀器有限公司代理的，德國德飛 DataPhysics 儀器公司生產的MS20（圖1）是一種基于多重光散射原理來評價多項分散體系穩定性以及時間和溫度相關的不穩定機制的綜合表征儀器。它提供了一種簡單快速的方法來測量分散體系中粒子的平均粒徑。本文將介紹使用MS20穩定性分析儀對兩種聚苯乙烯顆粒的平均粒徑進行測量。

【圖1】MS 20穩定性分析儀

測量原理：

MS20穩定性分析儀是基于多重光散射原理將一束光攝入液體樣品中，樣品中懸浮顆粒使進入樣品的光發生多次散射（偏離入射方向而向四面八方散射），這種現象稱為多重光散射。入射光進入樣品后被連續多次散射，最終射出樣品的光的強度取決于光的波長、顆粒濃度、顆粒粒徑、連續和分散相的折射率、吸收系數。多重光散射技術能夠檢測分散體系的穩定性，包括分散體系中顆粒粒徑隨時間的變化、粒子遷移速度、穩定性指數等。該儀器適用于固/液、液/液、氣/液等分散體系。

    根據斯托克斯公式以及通過MS20測量計算得到的遷移速率V，可以計算平均粒徑??:

其中，Δ??是顆粒和液體之間的密度差；

??是重力加速度，約為9.81 m/s2；

??是液體的粘度。

實驗過程：

本次實驗使用兩種具有不同粒徑的聚苯乙烯顆粒（PS1和PS2）(圖2）。包裝上給出的 PS1 和 PS2 顆粒的粒徑分別為 20µm 和 40µm 。懸浮液的溶劑是水，其密度和粘度在室溫下分別為 0.998g/cm3 和 1.002mPas 。體積分數為5% 。

 【圖2】

將制備好的20ml的聚苯乙烯懸浮液倒入樣品管中，并將實驗條件設置為25°C下每1分鐘測量一次，持續測量1小時。測量區域在0mm（樣品管底部）和56.5mm（樣品管頂部）之間。

（圖3）給出了兩種聚苯乙烯懸浮液的測量結果。

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

  * 橫坐標從左至右代表樣品管從底部（位置0mm ）到頂部（位置56.5mm ）；

* 曲線的顏色編碼表示測量的時間，從紅色（第一次測量，t=0s）到紫色（最后一次測量，t=1h）。每條曲線代表一個單獨的測量值。

【圖3】

   圖3中的透射圖和背散射圖清楚地顯示了光強的時間依賴性和位置依賴性變化，體現出一個典型的沉降過程。可以看出，由于PS1顆粒的粒徑較小，沉降速率慢，PS1的透射和背散射光光強的變化比PS2慢得多。

【圖4】PS1懸浮液中粒子的平均遷移速率及平均粒徑計算 

   利用MS20軟件中的相應功能，可以輕松的計算出兩種樣品粒子的遷移速率，如圖4所示，PS1懸浮液中粒子的平均遷移速率為0.6262 mm/min（圖4左側）。再根據軟件中的斯托克斯定律計算功能，輸入對應的體積分數等參數，只需點擊軟件中的“計算”即可獲得PS1的平均粒徑（圖4右側）19.88um。同理，計算出PS2的平均粒徑為39.54um（表1）。

（表1）

結論：

    通過MS20測得PS1和PS2平均粒徑分別為19.55µm和39.54µm，兩個樣品的測量結果幾乎與生產廠家給出的值一致，這證實了利用MS20測量平均粒徑是準確可靠的。

   使用MS20穩定性分析儀及其配備的多功能軟件，可以高效準確地測量樣品的平均粒徑。除此之外，MS20還具備測量樣品的均一性、測量樣品分層厚度隨時間變化、計算穩定性指數、分析分散體系不穩定機制等功能，可廣泛應用于精細化工、食品、醫藥、農藥、石油、新能源等多個領域。

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