楊舒程 ，趙增兵 ，陳 波 ，孟炳楠 ，成蘭興

（1.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052；2.洛陽申雨鉬業(yè)有限責任公司，河南 欒川 470003）

MoS2是重要的固體潤滑劑，特別適用于高溫高壓下，也被譽為“高級固體潤滑油王”，適用條件廣。MoS2可以分散在潤滑脂、水等溶劑中，也可單獨使用，也可與樹脂調(diào)制成涂料作為各類金屬部件、陶瓷材料的表面處理劑。MoS2作為高檔固體潤滑材料廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、食品工業(yè)、防腐工程、石油化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。由于MoS2優(yōu)異的潤滑性能，國內(nèi)外科研人員一直進行著新型MoS2的合成及應(yīng)用研究[1,2]。MoS2的粒度是一項重要指標，粒度大小和粒度分布及顆粒形狀對材料的性能或功能的發(fā)揮有很大影響[3]，粒度檢測和控制是提升MoS2粉體產(chǎn)品質(zhì)量非常重要的一環(huán)，但激光粒度測量方法受技術(shù)原理決定，測試結(jié)果易受測試方法和設(shè)備的影響[4]，正確選擇粒度測試方法是其中的關(guān)鍵。

顆粒粒度測試方法有很多，目前，應(yīng)用最廣泛的是激光散射法，此方法有測量范圍廣（通常為0.1～3500μm）、速度快、再現(xiàn)性好、可在線測量等特點，對粒度控制有著十分重要的作用[5]。粒度儀市場上主要有馬爾文、安捷倫、歐美克和百特等廠商[6]，針對馬爾文儀器的研究分析較多，然而鮮有對歐美克激光粒度儀的研究。曾有學(xué)者就粒度性能評價方法探討過歐美克激光粒度儀，文章指出對比國外進口儀器，歐美克激光粒度儀的結(jié)果更符合實際情況[7]?；谡n題研究需求和研究條件，本文將以MoS2為樣品，選擇珠海歐美克儀器有限公司的TopSizer 激光粒度分析儀作為實驗分析設(shè)備展開研究。

1 實驗部分

1.1 環(huán)境條件

工作環(huán)境5～35℃，相對濕度低于85%RH。

1.2 儀器和材料

試驗所采用的儀器為國產(chǎn)歐美克公司的Top－Sizer 激光粒度分析儀，測量范圍為0.02～2000μm。

樣品為洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司提供的MoS2，其粒度大小處于儀器可測量范圍內(nèi)，去離子水和分散劑。

1.3 TopSizer 激光粒度測試原理

其測試原理為全量程米氏散射理論，利用顆粒對光的散射現(xiàn)象，根據(jù)散射光能的分布推算被測顆粒的粒度分布。當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發(fā)生的散射稱為米氏散射，根據(jù)Mie 散射理論，介質(zhì)中微小顆粒對入射光的散射特性和散射顆粒的粒徑及相對轉(zhuǎn)折率、入射光的光強、波長、偏振度以及散射角有關(guān)。激光散射粒度儀通過對散射光的不同物理量進行測量與計算，從而得到粒徑分布[1]。

TopSizer 激光粒度測試采用紅藍雙光源設(shè)計，紅光主光源為進口氦-氖激光器，波長0.6328μm；并有半導(dǎo)體藍光輔助光源，波長0.466μm，極大地提高了對納米級顆粒及少量大顆粒的分辨力。

圖1 TopSizer 激光粒度分析儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the optical system of TopSizer laser particle size analyzer

1.4 試驗方法

首先，連接儀器、計算機、進樣器和打印機，打開儀器主機電源，預(yù)熱30min。按說明書把儀器調(diào)至樣品測試狀態(tài)。采用濕法自動化測試進樣方式，即將樣品直接溶解到分散介質(zhì)中測試。然后取一定量樣品直接溶解于蒸餾水中，并加入適量分散劑，充分攪拌成一定濃度的懸濁液，測試時向攪拌池中逐次添加配置好的懸濁液直至遮光率滿足試驗條件。

試驗結(jié)果以D50計，該指標表示樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%，因此,D50也叫中位徑或中值粒徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲分散時間對MoS2 粒徑的影響

粒度分析過程中可以使用超聲波輔助分散，一般而言，超聲分散時間越久，樣品分散效果越好。而顆粒多次碰撞之后分散體系溫度升高，分子的布朗運動劇烈，雖然極不常見但過多的超聲波也會擊碎的藥物顆粒[8,9]。除了分離顆粒之外，超聲波時間過久還可以增加顆粒間碰撞的速率，導(dǎo)致顆粒聚集，測試結(jié)果偏大。所以應(yīng)測試超聲波的持續(xù)時間對粒度分布的影響，將遮光率控制在10%～20%內(nèi)，設(shè)定離心泵轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，分別設(shè)定超聲時間為0、0.5、1、2、3、4、5min，測試對應(yīng)的 D50數(shù)值，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲時間與D50 的關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the relationship between ultrasound time and D50

由圖2 可見，隨時間的增長，聚集的顆粒逐漸被分散，D50呈上升趨勢，于2min 以后趨于穩(wěn)定，因此,可取最佳超聲時間3min。

2.2 泵和攪拌速度對MoS2 粒徑的影響

標配SCF-108A 循環(huán)進樣器，采用專利的燈籠頭下壓式水流循環(huán)回路設(shè)計，配備大功率精確自動控制攪拌電機，最高可達3500r·min-1的同時減少了氣泡和液體飛濺的產(chǎn)生，并具有高效的分散、清洗、排干能力。

激光粒度儀的循環(huán)泵和攪拌速度影響著樣品的分散程度，所選擇的條件應(yīng)該能夠在不引起夾帶空氣的情況下懸浮所有物質(zhì)。將遮光率控制在10%～20%內(nèi)，超聲分散3min，其他條件不變的情況下，分別設(shè)置循環(huán)泵轉(zhuǎn)速為 500、600、800、1000、1200、1600、2000、2400r·min-1，測定其對應(yīng) D50數(shù)值。

圖3 顯示了根據(jù)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速設(shè)置，樣品D50數(shù)值的變化。

圖3 轉(zhuǎn)速與D50 的關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between speed and D50

由圖3 可以看出，攪拌速率在1000r·min-1以上時結(jié)果達到了穩(wěn)定，在這一點上，所有的物質(zhì)正確地懸浮和分散。攪拌速率在2000r·min-1以下時，樣品沉降導(dǎo)致結(jié)果比預(yù)期小，而攪拌速率大于2000r·min-1時，可能是攪拌速度過高導(dǎo)致混入氣泡使測試結(jié)果比預(yù)期大，所以最佳的循環(huán)泵轉(zhuǎn)速為1000～2000r·min-1。

2.3 遮光率對MoS2 粒徑的影響

遮光率指被顆粒散射和吸收掉的光占光總量的百分比，是激光粒度測試中用來表示懸浮液光學(xué)濃度的一個量。對于給定濃度范圍內(nèi)的大多數(shù)粒度分布，粒度應(yīng)與濃度無關(guān)。遮光率的計算方法是原始光強I0與加入樣品后探測器中心點的光強Ii的差除以I0再乘以100%得到。

遮光率=（I0-Ii）/I0×100%

一般遮光率的范圍在10±5 之間。在實際粒度測試時，最佳遮光率是復(fù)散射和代表性之間的平衡點，即把復(fù)散射減到最小，才能保證樣品的代表性。為了這個目的，遮光率的最佳范圍與樣品的粒度有關(guān)：粒度越大，遮光率越大；粒度越小，遮光率越小。為了便于實驗操作，實驗設(shè)定離心泵轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，超聲分散3min，其他條件不變的情況下，啟動循環(huán)系統(tǒng)，逐次向循環(huán)攪拌池內(nèi)加入樣品溶液，測試遮光率為 5%、10%、15%、20%、25%左右時 D50值，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 遮光率與D50 的關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relationship between shading rate and D50

由圖4 可見，當遮光率低于20%時，隨遮光率增大D50隨之增大，當遮光率高于20%時，測得樣品的D50隨遮光率的增大而減小，當遮光率在10%～20%間時，D50呈穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見適合的遮光率有利于保證測試的可靠性，遮光率太小可能導(dǎo)致樣品代表性不夠，遮光率太大可能導(dǎo)致重復(fù)散射，使測試結(jié)果變小。

2.4 重現(xiàn)性

重現(xiàn)性是指不同實驗室不同儀器測定結(jié)果之間的精密度。在上述最佳實驗條件下，取同一批次樣品，分別采用歐美克TopSizer 激光粒度分析儀和馬爾文Mastersizer 2000 激光粒度儀進行5 次重復(fù)測試，結(jié)果見表1。

表1 兩臺儀器分別測量同一樣品D50 的5 次數(shù)據(jù)Tab.1 Two instruments respectively measure 5 times data of the same sample D50

相對標準偏差RSD 是標準偏差與平均值的比值，在分析方法驗證中一般用于評價方法的精密度、重復(fù)性,當RSD 值越小時精密度越高、重復(fù)性越好。這里的相對標準偏差RSD 小于3%，顯示重現(xiàn)性良好[10]。

3 結(jié)論

隨著MoS2近些年的研究發(fā)展，粒度是其性能發(fā)揮的主要條件，準確檢測其粒度顯得尤為重要。本實驗采用歐美克TopSizer 激光粒度儀分析，研究了當設(shè)置超聲分散時間為3min、泵和攪拌速度為1000～2000r·min-1、遮光率 10%～20%時，儀器檢測 MoS2顆粒粒度結(jié)果較準確，并用其它粒度分析儀對同一樣品進行了比對分析，結(jié)果顯示重現(xiàn)性良好。準確測量有助于進一步研究粒度與MoS2性質(zhì)的關(guān)系，從而使其在各個領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。