【應(yīng)用】使用MS20穩(wěn)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(tài)物質(zhì)在日程生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著很廣泛的應(yīng)用，尺寸的大小和分布情況直接關(guān)系到工業(yè)流程，產(chǎn)品質(zhì)量以及能源消耗和生產(chǎn)過程的安全性。因此,準(zhǔn)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(wù)于化妝品、化學(xué)、制藥或食品等多種應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)的MS20（圖1）是一種基于多重光散射原理來評(píng)價(jià)多項(xiàng)分散體系穩(wěn)定性以及時(shí)間和溫度相關(guān)的不穩(wěn)定機(jī)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(wěn)定性分析儀對(duì)兩種聚苯乙烯顆粒的平均粒徑進(jìn)行測量。

【圖1】MS 20穩(wěn)定性分析儀

測量原理：

MS20穩(wěn)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(jìn)入樣品的光發(fā)生多次散射（偏離入射方向而向四面八方散射），這種現(xiàn)象稱為多重光散射。入射光進(jìn)入樣品后被連續(xù)多次散射，最終射出樣品的光的強(qiáng)度取決于光的波長、顆粒濃度、顆粒粒徑、連續(xù)和分散相的折射率、吸收系數(shù)。多重光散射技術(shù)能夠檢測分散體系的穩(wěn)定性，包括分散體系中顆粒粒徑隨時(shí)間的變化、粒子遷移速度、穩(wěn)定性指數(shù)等。該儀器適用于固/液、液/液、氣/液等分散體系。

    根據(jù)斯托克斯公式以及通過MS20測量計(jì)算得到的遷移速率V，可以計(jì)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(shí)驗(yàn)過程：

本次實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為25°C下每1分鐘測量一次，持續(xù)測量1小時(shí)。測量區(qū)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(jié)果。

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

  * 橫坐標(biāo)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(shí)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(gè)單獨(dú)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(qiáng)的時(shí)間依賴性和位置依賴性變化，體現(xiàn)出一個(gè)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(qiáng)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(jì)算 

   利用MS20軟件中的相應(yīng)功能，可以輕松的計(jì)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(cè)）。再根據(jù)軟件中的斯托克斯定律計(jì)算功能，輸入對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)，只需點(diǎn)擊軟件中的“計(jì)算"即可獲得PS1的平均粒徑（圖4右側(cè)）19.88um。同理，計(jì)算出PS2的平均粒徑為39.54um（表1）。

（表1）

結(jié)論：

    通過MS20測得PS1和PS2平均粒徑分別為19.55µm和39.54µm，兩個(gè)樣品的測量結(jié)果幾乎與生產(chǎn)廠家給出的值一致，這證實(shí)了利用MS20測量平均粒徑是準(zhǔn)確可靠的。

   使用MS20穩(wěn)定性分析儀及其配備的多功能軟件，可以高效準(zhǔn)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(shí)間變化、計(jì)算穩(wěn)定性指數(shù)、分析分散體系不穩(wěn)定機(jī)制等功能，可廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、石油、新能源等多個(gè)領(lǐng)域。

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