Введение.

Существуют различные методы определения гранулометрического состава, отличия в них заключается как в принципе метода, так и используемым оборудованием. Это и общепринятый седиментационный метод, и микроскопия, лазерная дифракция и т.д. В настоящее время метод лазерной дифракции получает все наибольшее распространение, так как является универсальным и эффективным методом, с возможностью применения к широкому кругу объектов из самых различных областей исследования. Результаты измерений могут быть представлены в различном виде, а так же в виде зависимости дифференциальной и интегральной.

Для определения гранулометрического состава порошковых сред лазерным дифрактометрическим (оптическим) методом используются приборы различных конструкций и производителей. Это и фирма SHIMADZU (Япония), и Malvern Instruments Ltd (Великобритания), и Fritsch, (Гремания). Имея различные набор узлов, оптические характеристики и возможности программного обеспечения, все они работают по единой схеме, в основе которой лежит физический принцип флуктуации электромагнитных волн

В настоящее время мы наблюдаем появление нового оборудования для исследования гранулометрического состава- это лазерные анализаторы размера частиц "Analysette 22" NanoTec (производство Fritsch, Германия), которые являются универсальными приборами для измерения размеров частиц в суспензиях, эмульсиях, порошках и аэрозолях. Они могут быть использованы как в научной, так и в производственной деятельности, а так же для контроля качества и процессов.

Лазерные анализаторы размера частиц "Analysette 22" модели NanoTec и для определения размеров частиц применяют запатентованную фирмой Fritsch систему сходящегося лазерного луча. Анализаторы, расположенные в измерительной ячейке, предназначены для определения распределения частиц по размерам посредством лазерной дифракции, используют физический принцип рассеяния электромагнитных волн. Частицы в параллельном лазерном луче рассеивают свет на постоянный телесный угол, величина которого зависит от диаметра частиц. Линза собирает рассеянный свет кольцеобразно на детекторе, который установлен в фокальной плоскости линзы. Не рассеянный свет всегда сходится в фокальной точке на оптической оси.

С помощью комплексной математики из распределения интенсивности рассеянного света можно рассчитать распределение частиц по размерам в коллективе рассеивающихся частиц. В результате получают диаметр частицы лазерной дифракции, диаметр которой эквивалентен шару с одинаковым распределением рассеянного света. Измеряются средние объемные диаметры, и получающееся распределение частиц по размерам является распределением по объему.

Однако,  появление принципиально нового оборудования и, соответственно, метода изучения дисперсности почв и грунтов на основе лазерной дифракции ставит перед исследователями ряд вопросов, которые предполагают пересмотр многих устоявшихся представлений о строении, составе и свойствах твердой части почв и грунтов, а так же требует разработки соответствующих методологических принципов и методических приемов.

Для правильного понимания получаемых методом лазерной дифракции результатов анализа необходимо быть уверенным в том, что данные анализа соответствуют природе вещества и точно отражают фракционный состав ЭПЧ, формирующих его твердую часть. То есть каков «истинный» размер фракций ЭПЧ и соответствуют ли эти размеры тем, которые определяются данным методом?

Объекты исследования.

Для решения данной проблемы нами исследованы различные по природе и степени дисперсности образцы порошков:

1. Порошки стандартные (производство Fritsch, Гремания), используемые для калибровки и поверки прибора.

2. Мономинеральные порошки известного состава и степени дисперсности (ZnO и TiO2).

3. Природный речной песок кварцевый.

Результаты и обсуждения.

Полученные результаты представлены в таблицах 1-2, на фотографиях 1-2 и на рисунках 1-6.

Результаты, представленные в таблице 1, свидетельствуют о том, что используемый нами анализатор «Analysette 22 NanoTec» откалиброван и работает корректно. Испытания стандартного образца показали, что полученные нами данные соответствуют паспорту образца, а ошибка не превышает установленные стандартом величины (рис. 1).

 

Рис. 1. Куммулятивные кривые распределения частиц (стандарт F-500, n=5)

Таким образом, мы считаем, что используемый нами анализатор дисперсности порошковых сред позволяет определять заявленные производителем эффективные диаметры частиц стандартного порошка F-500.

В качестве образца известной природы нами определен гранулометрический состав речного песка кварцевого: общий образец (< 1 мм), фракция песка 0.5-0.25 мм и фракция песка < 0.25 мм (табл. 2).

Полученные результаты показали, что основными преобладающими фракциями в исследуемом общем образце (серия № 1) являются фракции среднего и мелкого песка, на долю которых приходится 77.97 %. Всего сумма фракций физического песка достигает 90.21 %, что позволяет характеризовать данный объект как песок связный мелкозернистый.

Интерес вызывают два других образца в серии № 1 (рис. 2). Для анализа нами были получены две фракции природного песка 0.5-0.25 мм и < 0.25 мм методом просеивания. В полученных таким образом образцах определили фракционный состав частиц. Основная цель эксперимента – определить насколько будут совпадать результаты, полученные методом дифракции и методом просеивания. Результаты эксперимента показали, что полученные данные практически полностью соответствуют друг другу.

Рис.2. Куммулятивные кривые дисперсности песка речного кварцевого (серия № 1)

Данные, полученные, в результате серии испытаний № 2 показывают, что образец песка диаметром < 0,25 мм, подвержен размыванию. Так повторное сканирование (образца без изъятия его из измерительной ячейки) приводит к уменьшению фракций физического песка на 2,6 %, а трехкратное сканирование с применением ультразвука приводит к увеличению фракции физической глины с 2,8% (при первом сканировании) до 10,7 % (рис. 3).

Результаты, полученные в серии № 3 (рис. 4), свидетельствуют о динамике фракционного состава песка речного как природного объекта за счет содержания тонкодисперсных фракций, которые по своей природе являются микроагрегатами, разрушающимися в водном потоке блока мокрого диспергирования. Это положение подтверждается результатами по изучению «размываемости» песка (серия № 2). Таким образом, при идентификации природных грунтов методом лазерной дифракции необходимо учитывать возможность наличия в образцах не только «истинных» частиц, но и микроагрегатов, которые влияют на увеличение коэффициента вариации.

Проведенные исследования позволяют нам сделать предположение о том, что использование метода лазерной дифракции дает представление об «истинном» эффективном диаметре частиц, в то время как метод пипетки - об эффективном диаметре гидратированных комплексов.

В подтверждение данного предположения мы провели сравнительные исследования с порошками оксидов TiO2 и ZnО. Нами проведен анализ дисперсности данных образцов с использованием лазерной дифракции и электронной микроскопии (растровой и просвечивающей соответственно).

 

 

Рис. 3. Куммулятивные кривые изменения дисперсности фракции < 0.25 мм песка речного при размывании (серия № 2)

Рис.4. Куммулятивные кривые дисперсности фракции < 0.25 мм песка речного, аналитическая повторность 3-х кратная (серия № 3)

Результаты исследований показали, что 100 % частиц ZnO (метод лазерной дифракции) имеют эффективный диаметр < 2 мкм, а по результатам электронной просвечивающей микроскопии содержание частиц данного диаметра составляет 99,98 %. Результаты исследований дисперсности практически совпадают (фото 1, рис. 5).

Полученные данные свидетельствуют, что лазерная дифракция дает практически полное совпадение с результатами, получаемой с использованием электронной микроскопии и позволяет определить «истинный» размер частиц. В данном случае на фотографии 2 и рисунке 6 приведены результаты исследования частиц TiO2 с эффективным диаметром < 50 мкм. По результатам лазерной дифракции получается, что 100 % оксида титана имеют размер частиц от 50 мкм и меньше.

Проведенные нами исследования показали, что метод лазерной дифракции имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми методами исследования дисперсности порошковых сред, таких как:

  • дает представление об «истинном» размере частиц;
  • большая информативность метода (широкий диапазон размеров частиц от 1000 до 0.05 мкм; фракционный состав частиц и микроагрегатов; форма частиц; размываемость микроагрегатов; определение расчетных величин d90, d50 и d10, используемых для идентификации образцов и т.д.);
  • высокая точность и воспроизводимость результатов анализа;
  • возможность использования микроколичеств образца (от 1 г ? для сухих образцов и около 3-5 мл ? для суспензии);
  • значительное сокращение времени проведения анализа до 1?3 мин;
  • расширенные возможности по интерпретации полученных данных, в т.ч. возможность пересчета результатов с учетом различных классификационных построений.

 

 

Выводы

Проведенные нами исследования показали, что используемый нами анализатор дисперсности порошковых сред, работает корректно и позволяет определять заявленные производителем эффективные диаметры частиц стандартного порошка F-500.

При исследовании речного песка кварцевого методом лазерной дифракции получили довольно высокую результативность по сравнения с ситовым методом,

Сравнительный анализ результатов исследования с порошками оксидов TiO2 и ZnО, полученных методами лазерной дифракции и электронной микроскопии свидетельствует, о том что лазерная дифракция дает практически полное совпадение с результатами, получаемой с использованием электронной микроскопии и позволяет определить «истинный» размер частиц.

Список литературы

  1. Блохин А. Н., Кулижский С. П. Оценка применения метода лазерной дифрактометрии в определении гранулометрического состава почв // Вестн. Том. гос. ун-та. Биология . 2009. №1. С.37-43.
  2.  ISO 13320-1:1999. Particle size analysis - Laser diffraction methods - Part 1: General principles.
  3. «Analysette 22 NanoTec. Руководство пользователя» www.fritsch.de
  4. «Laser-scattering – Basics» www.fritsch-sizing.com
  5. Румянцев В., Гранулометрический анализ с помощью лазерных анализаторов серии SALD компании SHIMADZU www.cms-ru.shimadzu.eu

Библиографическая ссылка

Болдырева В.Э., Шкуропадская К.В., Морозов И.В, Опыт использования метода лазерной дифракции для определения гранулометрического состава порошковых сред // «Живые и биокосные системы». – 2015. – № 12; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-12/article-7