![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Дисперсионный анализ
Свойства суспензий, а также рассматриваемых в главе 5 порошков в значительной степени определяются размерами частиц дисперсной фазы. Дисперсионный анализ – это совокупность методов измерения размеров частиц. При дисперсионном анализе определяют также дисперсность D и удельную поверхность S УД. Методы дисперсионного анализа можно разделить на три группы. 1) Методы измерения параметров отдельных частиц (размеров, массы и т. д.) с последующей статистической обработкой результатов большого числа измерений: • методы, в которых линейные размеры частиц измеряют с помощью оптического микроскопа, который обеспечивает предел измерений от 1 мкм до нескольких миллиметров, и электронного микроскопа, позволяющего измерять размеры частиц от 1 нм до нескольких микрон; • методы, основанные на измерении электрического сопротивления при пропускании суспензии порошка через тонкий канал с помощью счетчиков Культера, позволяющие измерять размеры частиц от ОД до 100 мкм; • методы, в которых измеряют изменения светового потока при пропускании суспензии через тонкий канал, вызванные попаданием в этот канал частиц дисперсной фазы. Позволяют измерять размеры частиц от 5 до 500 мкм; • методы, в которых измеряют интенсивность света, рассеянного единичной частицей, с помощью ультрамикроскопа или поточного ультрамикроскопа Дерягина-Власенко (размеры частиц от 2 до 500 нм). 2) Методы, основанные на механическом разделении дисперсной системы
на несколько классов по крупности частиц: • ситовый анализ (размеры частиц от 0, 05 до 10 мм); • в разделение частиц в потоке газа или жидкости (размеры частиц от 0, 1 до нескольких миллиметров). 3) Методы, основанные на изучении свойств ансамбля частиц: • методы седиментационного анализа, основанные на регистрации кинетики накопления осадка. Седиментометр Фигуровского позволяет определить размеры частиц от 1 до 500 мкм. Применение центрифуг позволяет снизить предел измерения до 0, 1 мкм, а ультрацентрифуг – до 1 – 100 нм (в этом случае можно измерять даже размеры крупных молекул); • методы рассеяния света малыми частицами (нефелометрия и турбодиме – трия), методы неупругого рассеяния, а также рассеяния рентгеновских лучей, нейтронов; • адсорбционные методы, используемые для определения удельной поверхности частиц. Измеряют количество адсорбированного вещества в мономолекулярном слое. Наиболее распространен метод низкотем – пературной газовой адсорбции с использованием азота (аргона, криптона) в качестве адсорбата. Удельную поверхность высокодисперсной твердой фазы часто определяют методом адсорбции из раствора, Адсорбатом при этом служат красители, ПАВ или другие вещества, малые изменения концентрации, которых легко определяются с достаточно высокой точностью. Удельную поверхность частиц можно находить также по теплоте адсорбции (или смачивания). Поточные микрокалориметры позволяют проводить измерения, как в газовой, так и в жидкой среде. Разнообразные адсорбционные методы дисперсионного анализа позволя – ют определять удельные поверхности 10 – 103 м 2/г, что примерно соответствует размерам частиц от 10 до 1000 нм; • методы, основанные на исследовании газопроницаемости слоя анализ – ируемого вещества при фильтровании через него воздуха при атмосфер – ном давлении или в вакууме. Эти методы позволяют определять удельную поверхность; • в ряде случаев дисперсность порошков измеряют по скорости раствор – ения теплофизическим, магнитным и другим характеристикам системы, связанным с размером частиц дисперсной фазы или межфазной поверхности. Во всех упомянутых методах дисперсионного анализа получают, как правило, интегральную характеристику, позволяющую судить о некоторых средних параметрах системы. В некоторых случаях удается определить также дифференциальную функцию распределения числа частиц (их объема, массы) по размерам. Рассмотрим подробнее такие широко распространенные методы дисперсионного анализа, как ситовый и седиментационный.
СИТОВЫЙ АНАЛИЗ
Ситовый анализ – это определение гранулометрического и фракционного состава измельченных сыпучих материалов. Он применим для материалов с размерами частиц 0, 05 – 10 мм. Ситовый анализ осуществляют просеиванием проб материла через набор стандартных сит с квадратными, реже с прямоугольными отверстиями, размер которых последовательно уменьшается сверху вниз. В результате материал распределяется на фракции, в каждой из которых частицы незначительно различаются размерами. Число фракций, получаемых при просеивании через набор из п сит, составляет п + 1 и не должно быть менее 5 и более 20. Сита изготавливают из плетеных или тканевых сеток (стальная, медная, латунная проволока, шелковая, капроновая, нейлоновая нить) либо штампуют из металлических листов (решетка). Для анализа очень тонких порошков с размерами частиц 0, 005 – 0, 1 мм применяют микросита, представляющие собой никелевую фольгу с расширяющимися книзу (для предотвращения забивания) квадратными отверстиями. Суммарная площадь отверстия составляет 0, 36% от общей площади поверхности сита (эта величина постоянна для всего набора сит). Сита обозначаются номерами, соответствующими размерам сторон отверстий, выраженным в мм (например, сито № 5 имеет отверстие с длиной стороны 5 мм). Ситовый анализ можно проводить вручную или механически. В зависимости от крупности, свойств материала и необходимой точности анализ проводят сухим или мокрым способом.
СУХОЙ СПОСОБ СИТОВОГО АНАЛИЗА
При сухом способе проба материала предварительно перемешивается и высушивается при 105 – 110°С. Минимальная масса пробы определяется размерами наиболее крупных частиц, например, для частиц размерами 0, 1; 0, 3; 0, 5; 1, 0; 3, 0; 5 – 10 мм минимальная масса составляет соответственно 0, 015; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 3; 2, 25 – 18 кг. Пробу высыпают на верхнее сито и весь комплект сит встряхивают 10 – 30 минут. При просеивании тонкодисперсных материалов, склонных к агрегированию, в нижнее сито помещают резиновые шайбы либо пробки для растирания образовавшихся комков. После просеивания взвешивают на технических весах с точностью до 0, 1 г остаток в каждом сите и вычисляют содержание (в % по массе) фракции в исходной пробе.
МОКРЫЙ СПОСОБ СИТОВОГО АНАЛИЗА
Этот способ используют в случаях необходимости очень точного определения гранулометрического состава порошков, растрескивающихся при температурах ниже 105°С, а также слипающихся или содержащих большое количество мелкой фракции. Мельчайшие частицы отмывают слабой струей воды до тех пор, пока слив не станет прозрачным. Остаток на сите высушивают, взвешивают и по разности масс находят количество отмытого шлама. Фракции частиц обозначают номерами сит. Например, если фракция получена последовательным просеиванием материала на ситах № 2 и № 1, фракцию обозначают следующим образом: 2 – 1 мм. Результаты ситового анализа представляют графически в виде так называемых кривых распределения. Последние подразделяют на дифференциальные (показывающие процентное содержащиe отдельных фракций) и интегральные (отражающие суммарное процентное содержание всех фракций меньше или больше данного размера). Зная распределение частиц по их размерам, можно ответить на основные вопросы дисперсионного анализа: • каковы размеры самой малой и самой большой частицы; • частиц какого размера больше всего; • каков фракционный состав системы, т. е. каково процентное содержание данной фракции в системе. Под фракцией понимается та часть порошка, размер частиц, в которой отвечает выбранному интервалу размеров. Пример. В данном порошке самая маленькая частица имеет r = 2, 0 • 10 Примем, что частицы радиусы, которых не отличаются больше, чем на 0, 3 • 10 • 1 – я фракция – все частицы с радиусом (2, 0 – 2, 3)•10 • 2 – я фракция – все частицы с радиусом (2, 3 – 2, 6)•10 • 3 – я фракция – все частицы с радиусом (2, 6 – 2, 9)•10 • 4 – я фракция – все частицы с радиусом (2, 9 – 3, 2)•10 • 5 – я фракция – все частицы с радиусом (3, 2 – 3, 5)•10
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Седиментационный анализ состоит в экспериментальном получении кривой седиментации, т. е. зависимости массы осадка т дисперсной фазы от времени осаждения t. С процессом седиментации частиц дисперсной фазы мы уже сталкивались (см. раздел 10.1). Вспомним основные закономерности этого процесса. Если сферическую частицу
где V – объем частицы, равный Как только частица станет оседать, возникнет противодействующая сила – сила трения (F F где В – коэффициент трения, а U – скорость оседания. В начале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторый момент достигается равенство Исходя из приведенных выше уравнений
В соответствии с законом Стокса, В = Таким образом, скорость седиментации прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы. Следовательно, частицы разных размеров оседают с разными скоростями: чем больше частица, тем больше скорость ее оседания. Если экспериментально определить скорость оседания, можно легко рассчитать радиус частицы: r=
Так как величины
Это уравнение справедливо только для условий, при которых выполняется закон Стокса, а именно: • частицы имеют сферическую форму; • движутся ламинарно, независимо друг от друга и постоянной скоростью; • трение является внутренним для дисперсионной среды? Эти условия выполняются только для систем, в которых размеры частиц лежат в пределах 10 Если размеры частиц больше 10 Если размеры частиц меньше 10 На седиментацию отдельной частицы не должны влиять соседние частицы. Чтобы избежать взаимного влияния частиц, необходимо проводить седиментацию в достаточно разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше 1%). Конечно, если взять еще более разбавленную суспензию, межчастичные взаимодействия будут проявляться еще в меньшей степени. Но чем более разбавлена суспензия, тем меньше масса осадка и тем больше ошибка измерения. Таким образом, в седиментационном анализе используют суспензии, размеры частиц в которых лежат в пределах от 10 Важным условием применимости седиментационного анализа является полная смачиваемость частиц жидкостью, в которой они оседают. В этом случае на поверхности твердых частиц образуется слой из молекул жидкости, перемещающийся вместе с частицей. При движении частиц происходит скольжение между двумя слоями жидкости (а не между твердой поверхностью и жидкостью) и в уравнении Стокса величина
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МОНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ
Кинетика седиментации частиц монодисперсной системы описывается уравнением:
где Q – общая масса дисперсной фазы; Н – первоначальная высота столба суспензии; т – масса частиц, осевших ко времени t.
(рис. 15.3). Тангенс угла наклона < р характеризует скорость накопления осадка
При достижении времени t = Так как суспензия монодисперсна (r = const), частицы оседают с одинаковой скоростью. Поэтому граница осветления будет четкой и определить скорость оседания можно по скорости движения этой границы
где h – высота, на которую опустилась граница за время t. Тогда радиус частиц можно рассчитать по формуле
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ИОЛИДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ Все реальные порошки полидисперсны и поэтому оседают с различными скоростями. Четкой границы осветления суспензии не наблюдается – крупные частицы осаждаются быстрее, мелкие – медленнее. Поэтому кривая седиментации полидисперсной системы m = f (t) имеет вид, представленный на рис. 15.4.
тельных к кривой седиментации оп – ределяют скорости седиментации со – ответствующих фракций частиц. Зная скорости оседания частиц отдельных фракций, можно рассчи – тать их радиусы. Так как большин – ство реальных порошков имеют час – тицы неправильной формы, по урав – нению только эквивалентный радиус частиц сферической формы, оседающих с такой же скоростью, что и реальные частицы. Построением интегральной, а затем дифференциальной кривой распределения частиц полидисперсной системы по их радиусам заканчивается седиментационный анализ. Построение кривой седиментации. Для построения кривой седиментации обычно используются торзионные весы. С их помощью определяют массу частиц, оседающих на чашечку весов, помещенную в стеклянный цилиндр с исследуемой суспензией на расстояние h от поверхности жидкости. Отмечают показания весов с интервалами времени 30 с, а затем их увеличивают до 1 мин, 3 мин, 5 мин по мере того как изменение массы замедляется. В идеальном случае эксперимент заканчивается, когда масса осадка достигает количества порошка, взятого для приготовления суспензии. Но допустимо заканчивать измерения, когда изменение массы за 10 мин составляет не более 2 – 3 мг, или когда на чашечку весов выпадет не менее 75% исходного количества порошка. В таблице 15.1 приведены экспериментальные данные седиментации талька в воде. Таблица 15, 1
|