马尔文粒度MS3000资料v5讲述

马尔文仪器介绍 马尔文仪器公司产品 马尔文中国区域 MS3000 客户培训课程 Mastersizer 3000 激光粒度仪 基于激光光散射技术表征颗粒样品粒径分布的仪 器。 粒径测试范围为0.013500um。 激光粒度仪 粒度？ 激光？ 关于粒度的基本概念 颗粒 粒径 粒径分布 概念 关于“颗粒”的普遍定义 在一个分散系统中独立的三维个体通常被认为是 一个颗粒 “Any condensed-phase tridimensional discontinuity in a dispersed system may generally be considered a particle” (NIST, US Department of Commerce, Special Publication 960-3). 例如: § 空气或液体介质中的液态个体 § 空气或液体介质中的固态个体 § 液体介质中的气泡 概念 人们对颗粒的理解通常基于对应的图像信息， 如 下面例图 该如何表征它们的大小? 概念 对于一个规则长方体颗粒，该如何表征它的大小 ？ 你可能会根据它的长，宽，高尺寸得到这个结果 这个回答或许是对的，但它并不方便。 对于复杂三维物体，我们如何使用一个值来表征 它的大小？ 360mm 140mm 120mm “360mm×140mm×120mm” 概念 等效圆球粒径 左侧的圆柱体和右侧 直径为213um的球体 具有相同的体积，可 称此圆球为左侧圆柱 体的体积等效圆球。 等效圆球粒径是通过测量样品颗粒的某种特征，然后以具有相同 特征的球体直径来表征它的大小。 概念 等效圆球粒径 不同的粒径测试方法得到的粒径结果可能是不同的等效圆球直径 ，所以有时，对源于不同测试技术的结果进行简单对比是不准确 的。 最大长度等效圆球 沉积率等效圆球 筛网通过尺寸等效圆球 最小长度等效圆球 重量等效圆球 体积等效圆球 表面积等效圆球 沉降法 筛分法 激光衍射法 了解更多： 粒径测试技术。 粒径测量技术 110100110100 纳米 微米 0.11000 筛分法 电子显微镜 沉降法 离心法 激光衍射法 电阻法 扫描电镜 动态光散射 声光谱 显微镜 理解粒径分布 现在已经知道等效圆球粒径的含义，以及等效圆球粒 径对于表征颗粒大小的意义。但这些都是基于单个颗 粒的，对于一份颗粒样品，我们如何来表征呢？ 颗粒样品是由一系列颗粒，从最小颗粒到最大颗粒按 一定分布组成。例如某份“5um”的样品，它可能是由 4.9um 5.1um的颗粒组成，也可能是由4um 6um 的颗粒组成。粒径分布用于表征样品中各粒径大小及 其占比。 如图中，横坐标 为粒径值，纵坐 标为该粒径在整 个样品中的占比。 理解粒径分布 根据占比类型的不同，可以有体积分布（该粒径的颗 粒体积占样品总体积的百分比），数量分布（该粒径 的颗粒数量占样品总颗粒数量的百分比）， 或者其 他不同的分布方式。 基于仪器的设计原理，体积分布结果能最好的反应 Mastersizer 3000对样品的敏感性，所以通常使用体 积分布结果。同时，在假设颗粒为实心球体的前提下 ，也可通过数学运算推导出长度分布，表面积分布及 数量分布结果。 关于不同粒径分布的区别： 了解更多： 体积分布与数量分布的对比。 理解粒径分布 显微镜测试通常采用数量分布结果，为了更好地理解 粒径的体积分布与数量分布的差异，我们以下例说明 ： 使用基于数量分布的显微镜测量 得到 a:b:c=1:1:1 数量分布 假设样品中存在等量的三种粒径 的颗粒a，b，c；直径分别为1， 2，3 a b c 使用基于体积分布的激光衍射法 得到 a:b:c= =1:8:27 体积分布 理解粒径分布 在实际工作中，以分布图谱的方式可以完整准确地表 征样品粒径信息，但可能并不方便。通常我们利用粒 径分布代入数学统计运算得到一些“特征值”。 常用的“特征值”有 §Dv(0.1), Dv(0.5), Dv(0.9) 粒径的体积分布下累计值，即样品中 小于该值的颗粒体积占了样品总体积的10%，50%或90%。 §D3,2 表面积加权平均粒径，对样品中小颗粒的存在敏感； D4,3 体积加权平均粒径 ，对样品中大颗粒的存在敏感。 它们是粒径分布的不同平均算法。公式为 小测验 什么是等效圆球粒径？ §等效圆球粒径是通过测量样品颗粒的某种特征，然后以具有相同 特征值的球体直径来表征它的大小。 说明体积分布的含义， 及Dv(0.9)，Dv(0.5)，Dv(0.1) 和 D3,2， D4,3的含义。 Mastersizer 3000 是如何测量样品粒径的？ 激光衍射测量技术 激光衍射 颗粒的散射光光斑 衍射是指波在传播过程中经过障碍物或孔隙时所发生 的改变传播方向的现象。 红色激光的衍射图样 衍射角变大 激光衍射 散射光与粒径的关系 从散射图样可以看出，散射光能量（光强）随角度变 化呈明暗分布，称之为散射光的角度分布。这一分布 与颗粒大小有关： § “颗粒越大，散射角越小；颗粒越小，散射角越大。散射光光强与 颗粒粒径的6次方成正比，与入射光波长的4次方成反比；与颗粒 的折射率，吸收率相关；与分散介质的折射率相关” 大颗粒，散射角小，光强大 小颗粒，散射角大，光强小 入射光 入射光 通过测量在不同角度的散射光光强，代入合适的散射 理论，即可得到样品的粒径分布结果。这就是激光衍 射技术测量粒径的基本原理。 因此粒径测试需要两个步骤： 第一部分，仪器硬件测 量由于颗粒引起的散射光光强分布；第二部分软件通 过把测得的光强分布数据代入散射理论来推算出粒径 分布结果。 激光衍射 检测原理 散射光信号检测示意图 激光衍射检测散射光数据 激光光源 样品颗粒傅立叶透镜 散射光检测阵列： 上面分布了若干光电检测器，每个检测 器按散射角度由小到大的顺序排列。（ 检测器编号越大，散射角越大） 入射光光强检测 遮光度检测器 Mastersizer 3000 激光粒度仪-光电检测原理 使用光电二极管检测散射光光强信号 § 光电二极管是二极管的一种，工作在反向偏压状态。利用光电 效应，光子冲击二极管激发出电子和带正电的空穴，从而产生 光电流。 § 无光照时，处于截止状态，在反向偏压的作用下，只有少数载 流子穿过势垒区，形成微弱的反向电流，称为暗电流。 § 有光照时，在光子辐射下，P/N区载流子（电子和空穴）浓度均 大大增加，在反向偏压和内电场作用下，穿过势垒区，形成光 电流，且入射光子越多，光电流越大，即光电流与光强成正比 关系。因此，通过测量此时电流大小可得到该角度检测器上的 光强大小。 Mastersizer 3000 激光粒度仪-光信号检测原理 结合检测器角度信息，得到散射光光强分布“数据” § 各个检测器检测到的光电信号，经电路板信号放大及模数转化 后，结合各检测器本身的角度信息，会按照每个检测通道以散 射光能量的形式显示在测试软件的“数据”报告中，即我们需要 的散射光光强分布数据。 样品池 焦平面检测器 侧向检测器 背向检测器 633nm 红光激光 折叠光路 Mastersizer 3000 光路: 红光测量 Mastersizer 3000的光强信号检测（红光） Mastersizer 3000 光路: 蓝光测量 470nm 蓝光光源 侧向检测器 样品池 背向检测器 对于小颗粒测量，MS3000使用波长为470纳米的蓝光 提高检测信号强度。 Mastersizer 3000散射光数据 Mastersizer 软件会即使显示测量时的散射光数据 检测器编号越大对应的散射角越大 小角度大角度 Mastersizer 3000散射光数据-大粒径样品 粒径越大，散射角越小，对应编号越小的检测器 Mastersizer 3000散射光数据-小粒径样品 粒径越小，散射角越大，对应编号越大的检测器 检测得到的散射光光强角度分布数据。可代入散射理 论，推测出被测样品的粒径分布结果。 目前使用较普遍的是米氏散射理论，它基于麦克斯韦 电磁方程（Maxwell），预测了圆球颗粒的散射光光 强分布。 § 考虑了入射光与颗粒的相互作用 § 适合不同波长，散射角度和不同大小的颗粒 § 更准确地预测颗粒的散射光分布 散射理论 散射光 吸收 散射光 入射光 过去由于受计算能力的限制，也曾使用过弗朗霍夫近 似。两者相比，米氏理论包含了对光散射行为最严密 和全面的预测，被证明对于更大范围的样品，特别是 小于50um的样品有更高的准确性。（ISO13320-1) 散射理论 散射光强 粒径 散射角 散射光强 粒径 散射角 米氏散射模型将入射光穿 过样品的因素纳入计算 弗朗霍夫近似仅适用于 通过样品边缘的经典衍射 依据米氏理论，可以根据已知粒径，计算出对应的散 射光光强分布，但我们需要根据散射光分布来得到粒 径分布。 另一个问题 已知颗粒 粒径 对应的散 射光分布 通过米氏理论计算 仪器硬件光学 结构测量得到 散射光分布 样品的粒 径分布 ？ 通过反演运算，根据光强分布预测粒径分布。 反演运算示意图 测量得到的散射 光分布 假设一个粒径分布 粒径分布 代入理论计算 得到对应的理论 光强分布 对比理论光强和 实测光强 差异最小吗 ？ 修正假设的粒径 分布 得到粒径分布结 果 是 否 反演运算 需要根据测试样品的特性，选择合适的反演运算模型， 仪器软件中提供了这些设置内容，包括颗粒类型，分布 模型等。 反演运算后，可预测出粒径分布结果，其对应的理论散 射光分布与实际测量得到的散射光分布最接近，同时， 还有表征它们差异的残差及加权残差值。 我们已经了解了仪器的检测原理。从下一节开始，我们 将开始逐步熟悉Mastersizer 3000的操作。 小测验 请填空 §颗粒越小，散射角越 ，散射光强越 ；颗粒越大，散射 角越 ，散射光强越 。 §在“数据”报告中，横坐标检测器编号越小，对应的散射角越 ，所以它对应越 的颗粒散射光。小 大 大 大 小 小 请讨论：颗粒光学参数，分析模型等对于散射光信号 测量是不是必须的？ 请思考：仪器是如何测量颗粒粒径的？ 样品测试 安全提示 安全提示 激光安全性（IEC60825-1(1993)+A1(1997)+A2 (2001) )： § 仪器整机为1级激光产品，在正常使用时安全； § 红光激光器为3R级激光产品，未授权人员不能打开仪器外壳 ，以免直接接触激光，造成伤害。 § 所使用的蓝光光源能量较大（10mw），未授权人员不能 打开仪器外壳。 样品及其制备的潜在危险（化学物质安全信息） 用电安全 更多安全健康信息，在使用仪器前请务必查阅 Essential manual精华手册 仪器操作及样品测试 第一次测量 样品测试 测试前准备工作 § 下载操作软件的最新版本（ support/mastersizer-range/mastersizer-3000/default.aspx ） § 断开仪器与电脑之间USB连接线，安装仪器操作软件。 § 检查确认仪器主机与电脑（USB数据线），与进样器附 件（CAN通讯线）连接正常，电源供电正常。开机、运 行软件，检查确认仪器处于待机状态。（若为初次启动 软件，需配置软件选项。为保证测试结果准确，建议开 机后预热15分钟以上） § 创建或打开测试文件，如需使用SOP测试，需要提前创 建SOP文件 Mastersizer 3000 测试设置 测试前，首先需要设置测试条件。点击测量，在弹出的 “测量设置”窗口中依次输入需要的参数。 § “标识”：输入样品名称 § “颗粒类型”：选择样品颗粒形态，用于创建散射模型。主要有“非 球形”，“球形” 和“不透明颗粒（弗 朗霍夫近似理论)”；默 认建议使用“非球形”。 Mastersizer 3000