沈興志，吳瑾

摘要：激光粒度儀對立磨碳酸鈣進(jìn)行粒度測試時，結(jié)果穩(wěn)定性不佳有一定的普遍性。本文主要討論了通過不同測試方法開發(fā)，了解其對測試結(jié)果穩(wěn)定性的影響。在研究中發(fā)現(xiàn)，在介質(zhì)中添加適宜濃度六偏磷酸鈉作為分散穩(wěn)定、抗溶解試劑，以及設(shè)置合理的超聲和泵速等參數(shù)都會對測試結(jié)果穩(wěn)定性有較大幫助。

關(guān)鍵詞：立磨碳酸鈣、粒度分析、激光粒度儀

引言

   近些年，隨著碳酸鈣行業(yè)發(fā)展，立式研磨機(jī)（簡稱立磨）由于其相對傳統(tǒng)球磨機(jī)、環(huán)輥磨機(jī)具有更、節(jié)能、環(huán)保、干燥能力較高、占地空間小、易維護(hù)等特點，在碳酸鈣行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。立磨生產(chǎn)碳酸鈣物料在輥式磨內(nèi)停留時間短，輥套和襯板不直接接觸，其所得粉體能較好地保持原有晶型，粒形較規(guī)則，生產(chǎn)粉體流動性好，易分散，分布寬度大，這些都是與球磨機(jī)生產(chǎn)重鈣粉有所差異的。

   重鈣粉體的粒度測試，對于了解和控制產(chǎn)品質(zhì)量，指導(dǎo)磨機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗等是非常必要的。歐美克儀器有限公司于1996年起推出的LS-POP系列激光粒度分析儀是重鈣生產(chǎn)領(lǐng)域使用的經(jīng)典產(chǎn)品，可以快速簡便地獲得測試樣品的粒度分布，D50中值粒徑，D97，2um含量及比表面積等重要參數(shù)信息，已經(jīng)在傳統(tǒng)重鈣粉的測試領(lǐng)域獲得了良好的口碑。

   在激光粒度儀指導(dǎo)生產(chǎn)實踐中，其重復(fù)性和分辨能力都是至關(guān)重要的。良好的重復(fù)性是測試結(jié)果真實可靠的保障【1】。優(yōu)良的分辨能力，能更好地分辨粉體間細(xì)微差異，指導(dǎo)磨機(jī)調(diào)節(jié)，zui大程度避免過磨或者研磨不足，從而可以在保證提供合格產(chǎn)品的前提下，將能耗控制到zui低水平。

   典型的濕法重鈣測試方法是將重鈣粉末加入到介質(zhì)水中，超聲幾分鐘后，加入激光粒度儀中循環(huán)，測試其粒度分布。立磨粉由于其寬分布特性，一個樣品可能同時具有亞微米到百來微米大小的顆粒，在用傳統(tǒng)方法對其進(jìn)行測試時，出現(xiàn)了結(jié)果重復(fù)性和分辨能力不佳的問題。測微米、亞微米粉體時，zui常見的影響粒度測試結(jié)果的因素是顆粒的團(tuán)聚，應(yīng)對的主要方法是超聲分散和加入分散劑；而在測試大顆粒時，進(jìn)樣器對大顆粒的懸浮分散能力顯得至關(guān)重要；此外，碳酸鈣微溶的屬性也加大了其測試的復(fù)雜性。本文中主要采用歐美克公司新推出的LS-POP(9)激光粒度儀及系列進(jìn)樣器，結(jié)合不同測試方法對立磨粉測試，并探討如何在不同樣品、儀器條件下確定*測試方法。

1 實驗部分

    1.1 測試材料、試劑、使用儀器

  典型寬分布立磨碳酸鈣粉生產(chǎn)樣（D97：60um，D50：7.5um，2um含量：22%）、六偏磷酸鈉（簡稱六偏）、歐美克LS-POP(9)激光粒度儀及SFC-105B自動進(jìn)樣器、SFC-126微量進(jìn)樣器。

     1.2 測試方法

   本文中所有測試介質(zhì)均采用潔凈自來水，將樣品干粉直接加入到已加不同濃度六偏的介質(zhì)中，設(shè)置不同的超聲模式、泵速來進(jìn)行測試。本文中所有測試均力圖以便捷、快速的方法進(jìn)行，并符合大多數(shù)測試現(xiàn)場應(yīng)用條件。本文中所有測試結(jié)果均采用通用增強(qiáng)粒度分析模式得出。

2 結(jié)果與討論

    2.1 不同六偏磷酸鈉濃度和進(jìn)樣器容積對測試結(jié)果穩(wěn)定性的影響

   通常立磨碳酸鈣的測試中，結(jié)果波動較大是普遍被測試者抱怨的問題。在此我們通過不同條件下，多次測試結(jié)果之間的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大小，來評估在此條件下單次測試結(jié)果的可靠性。

     2.1.1 添加不同濃度六偏磷酸鈉對粒度測試穩(wěn)定性的影響

   在激光粒度測試中，六偏磷酸鈉作為分散穩(wěn)定劑使用廣泛。由于其對碳酸鈣顆粒表面鈣離子的螯合作用，在顆粒表面逐漸吸附一層帶電的六偏磷酸鈉分子層，增加了顆粒之間的靜電排斥作用和空間位阻，使得顆粒之間的團(tuán)聚得到顯著抑制。此外六偏磷酸鈉對重鈣顆粒的包覆作用，減少了其與水分子的直接接觸，對碳酸鈣的溶解亦有顯著的抑制作用【2】。常溫下碳酸鈣在中性水介質(zhì)中的溶解度大致為4-5mg/l, 而粒度儀進(jìn)行測試時每升水介質(zhì)加入碳酸鈣樣品的量為幾十毫克量級，對碳酸鈣溶解的抑制將有利于得到準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量結(jié)果。

  使用LS-POP(9)主機(jī)，分別連接SFC-105B自動進(jìn)樣器測試立磨碳酸鈣樣品的粒度，介質(zhì)容積約500ml。各次加入的六偏磷酸鈉濃度依次約為20、10、5、0ppm，加樣至遮光比在7~12%之間，直接超聲2min后，連續(xù)測試5次，并統(tǒng)計粒度測試結(jié)果2um含量、D50、D97隨六偏濃度測試穩(wěn)定性，即相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化情況。

表1：SFC-105B進(jìn)樣器，加入不同量六偏磷酸鈉D10、D50、D97測量相對均方差 

    如表1所示，可以看到，同一取樣連續(xù)5次測量以及4次不同取樣測量，其2um含量、D50結(jié)果，未添加六偏磷酸鈉相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較加入六偏磷酸鈉更大，而D97的偏差基本沒有太大影響。在測量的數(shù)值上，加六偏時D50、2um含量平均數(shù)值為8.27um、23.11%，相對未加六偏所有結(jié)果平均值7.39um、19.91%明顯偏大，而D97數(shù)值則無明顯大小差異。顯示出六偏磷酸鈉在防止碳酸鈣溶解上能發(fā)揮作用，能在一定程度上提高小顆粒測量的穩(wěn)定性。

    2.1.2 進(jìn)樣器容積對測試穩(wěn)定性的影響

   為了了解不同容積進(jìn)樣器對立磨碳酸鈣粒度測試結(jié)果的穩(wěn)定性影響，我們選取了SFC-126微量進(jìn)樣器，其測試介質(zhì)容積約為SFC-105B的1/4,即130ml左右。其他測試條件均與上述表1條件相同。

表2：SFC-126進(jìn)樣器，加入不同量六偏磷酸鈉D10、D50、D97測量相對均方差 

   如表2所示，在微量進(jìn)樣器SFC-126中，進(jìn)行同一取樣連續(xù)5次測量以及2次不同取樣測量。加入六偏在測量結(jié)果的穩(wěn)定性上改善不明顯，且普遍比同一條件下大容積進(jìn)樣器測量結(jié)果波動大，可能的主要原因是微量進(jìn)樣器測試樣品量少，單次測量代表性不足。我們將兩個進(jìn)樣器在較穩(wěn)定測量條件下（六偏10ppm、5ppm）多次取樣的結(jié)果進(jìn)行平均后，得到以下表3. 由表可見，主要測量參數(shù)2um含量、D50、D97結(jié)果均非常接近，并無明顯差異。

表3：不同進(jìn)樣器，穩(wěn)定測量條件下粒度測量平均結(jié)果

   2.2 粒度測試結(jié)果隨時間的變化

   2.2.1 不同超聲條件對不同時間粒度測試結(jié)果的影響

選擇六偏為10ppm，使用SFC-105B在連續(xù)超聲、無超聲、超聲2min后停止三種條件下測試碳酸鈣立磨粉粒度分布。

表4：不同超聲條件對D97測量的影響 

   如表4所示，不同超聲條件對結(jié)果隨時間測試的穩(wěn)定性影響還是較大的，我們選取了測試體系較穩(wěn)定的10ppm六偏條件進(jìn)行測試，連續(xù)超聲或無超聲時，測試結(jié)果波動較大，且重復(fù)取樣測試結(jié)果數(shù)值偏差較大。在超聲2min后，關(guān)閉超聲進(jìn)行測試，在所測試的10分鐘時間內(nèi)結(jié)果均保持穩(wěn)定，重復(fù)取樣測試結(jié)果也非常接近。與此同時，也發(fā)現(xiàn)在連續(xù)超聲條件下，D97數(shù)值開始5、6分鐘呈下降趨勢，之后波動比較劇烈。不同超聲條件下D50等數(shù)值也有與此類似變化。

    2.2.2 不同介質(zhì)內(nèi)六偏濃度對不同時間粒度測試結(jié)果的影響

選擇超聲2min停止后測試，介質(zhì)內(nèi)不同六偏含量對結(jié)果隨時間波動的影響。

表5：SFC-105B進(jìn)樣器不同六偏濃度條件對D97隨時間變化的影響

表6：SFC-126進(jìn)樣器不同六偏濃度條件對D97隨時間變化的影響

    如表5、表6所示，不同六偏濃度對D97結(jié)果的變化出現(xiàn)不同的趨勢性，20ppm高濃度時，其D97結(jié)果呈較明顯下降趨勢；5、10ppm六偏時結(jié)果隨時間變化不大，在平均值附近上下小幅波動，且此時D97測試結(jié)果較其他結(jié)果略大。推測原因是不加或加入少量六偏，由于其不能將碳酸鈣顆粒表面*覆蓋形成保護(hù)層，顆粒表面與介質(zhì)水接觸，碳酸鈣產(chǎn)生了溶解。持續(xù)增加六偏的量，直到其能將碳酸鈣顆粒*覆蓋，能zui大程度的滿足顆粒的分散和抑制溶解效果【3】，再加入更多六偏，除了包覆在碳酸鈣顆粒表面，介質(zhì)中有更多六偏會使得體系電導(dǎo)率過高，引起樣品狀態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，測試結(jié)果波動加大。在5、10ppm六偏條件下，D50、D97在多次取樣測試之間的相對均方差較小，且沒有趨勢性的變化，也就意味著此時粒度測試結(jié)果隨時間變化相對更穩(wěn)定。

    與此同時，不加六偏D50則隨時間有所上升，D97則略微有下降趨勢。有可能是團(tuán)聚持續(xù)加劇及顆粒部分溶解造成的。與此同時也印證了上述，加入合適的六偏能有*分散和抑制溶解效果的結(jié)論。

    2.3 不同濕法循環(huán)泵速對粒度測試結(jié)果的影響

   在加入10ppm六偏，加樣超聲2min后，分別設(shè)定進(jìn)樣器離心泵轉(zhuǎn)速從3200rpm逐次下降至1000rpm后，再逐次升高離心泵轉(zhuǎn)速至3200rpm，將兩段所得到的D97，D5參數(shù)進(jìn)行趨勢分析。 

表7：不同泵轉(zhuǎn)速下，LS-POP(9)+SFC-105B測試樣品D97、D50變化趨勢

         如表7所示，泵速在1800轉(zhuǎn)至3000時，D50、D97結(jié)果基本保持穩(wěn)定；泵速達(dá)到3200rpm以上時，液流速度大，導(dǎo)致測量結(jié)果偏差加大。1800rpm以下的泵速，循環(huán)體系對大顆粒懸浮能力不足，D50、D97測試結(jié)果有偏小趨勢。從小到大轉(zhuǎn)速設(shè)定測量時，D50、D97波動較大，可能的原因是少部分大顆粒部分沉降，難以再懸浮。

3 結(jié)論

1. 寬分布立磨碳酸鈣粉的激光粒度儀測試，介質(zhì)中加入適宜濃度的六偏磷酸鈉，可以促進(jìn)重鈣粉體的分散減少團(tuán)聚，同時減輕其在水介質(zhì)中的溶解，利于其獲得穩(wěn)定且準(zhǔn)確的粒度測試結(jié)果。
2. 使用微量進(jìn)樣器時，由于樣本量少，結(jié)果波動相對普通大容積進(jìn)樣器測量稍大。多次取樣平均結(jié)果與普通進(jìn)樣器結(jié)果基本一致。
3. 可以通過選擇合適的超聲方法和泵速來使其檢測結(jié)果更穩(wěn)定可靠，同時可以減少由于測樣準(zhǔn)備時間和測試時間的不同而引起的結(jié)果差異。
4. 不同加工改性工藝的碳酸鈣粉體、粒度儀設(shè)備，獲得寬分布立磨碳酸鈣粉的zui穩(wěn)定的D50、D97、2um含量等結(jié)果的測試條件會略有差異，可以根據(jù)實際情況做好預(yù)實驗，摸索測試條件。

參考文獻(xiàn)：

【1】張福根、榮躍龍等，粒度儀性能評價方法探討 《粒度測量基礎(chǔ)理論與研究論文集》 2007年10月第四版56-59.

【2】沈靜、宋湛謙等 磷酸及磷酸／輔助劑對PCC的溶解抑制作用  《中國造紙》 2008年第27卷第8期 23-27.

【3】張勇、楊潔等 聚羧酸鈉鹽分散劑分散超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣的探討 《非金屬礦》 2005年11月 第28卷第6期.