球形氧化钇粒度测试条件优化*

贾佑顺，吴洪达，张兵兵，张泽远

（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

化工分析与测试

球形氧化钇粒度测试条件优化*

贾佑顺，吴洪达，张兵兵，张泽远

（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

详细研究了激光粒度分析法测量氧化钇粉体粒径的条件。结果表明，分散剂的种类及用量、氧化钇粉体用量、超声波功率和超声时间等对粉体平均粒径的测量结果有较大的影响。对于纳米级或亚微米级氧化钇粉体的粒度测量，适宜的条件：用pH为8.0的氢氧化钠水溶液配制质量浓度为1.0 g/L的多聚磷酸钠溶液作为分散介质，氧化钇用量100mg/L，超声波功率为300W，超声时间为10min，测试折射率为1.65。

球形氧化钇；粒度；激光粒度分析；测试条件

超细粉体的尺寸大小和粒度分布参数与材料的性能优劣密切相关［1］，同时也是超细粉体材料在生产制备和应用过程中的重要指标。如何准确、快捷地获取超细粉体的粒度数据，对于粉体制备工艺的优化至关重要。因此，超细粉体的测试技术也越来越受到人们的重视。目前，用于超细粉体粒度测试的方法主要有离心沉降法、激光衍射散射法、电感应法和颗粒图像处理仪等。其中，激光衍射散射法应用最为广泛。激光粒度仪就是以光的散射现象为原理制造的。激光粒度仪具有测试范围广、操作快捷、重现性好、可实时在线监测测量等优点，被广泛应用于粉体样品粒径和粒度分布的测试。在使用激光粒度仪测试样品的粒度时，样品粉体需要均匀地分散在分散介质中。但是，由于纳米颗粒具有较高的表面能，它们会通过软团聚的方式来达到稳定的状态。团聚的产生给准确地反映粉体的信息参数带来了难度。因此，使被测粉体以均匀、不团聚、不沉降的状态分散在介质中是准确测定样品粒度的先决条件。周新木等［2］研究了不同分散剂对分散体系稳定性的影响。研究表明，如果分散剂能够使分散体系Zeta电位的绝对值越大，那么测试的结果越接近粉体粒度的真实值，即测试越准确。目前，采用激光粒度分析仪测试粉体粒度的研究报道很多［3-4］。如刘亚青等［5］采用激光粒度仪，以十二烷基苯磺酸钠和六偏磷酸钠为分散剂，对自制近纳米级的氢氧化铝粒径进行了研究，考察了氢氧化铝用量、静置时间、超声时间、分散体系等因素对测试结果的影响，通过与氢氧化铝所测电镜照片对比得出了稳定可靠的测试条件。宋波等［6］利用激光粒度仪对纳米碳酸镁铝的粒径进行了测量研究，考察了分散剂种类和超声时间等因素对测试结果的影响，并将测量结果与电镜照片对比，得到了较佳的测量条件。笔者采用英国Malvan公司Zetasizer Nano ZSP型激光粒度分析仪，对氧化钇粉体粒度测定中的各种影响因素进行了研究，得到了测定氧化钇粉体粒度的优化测试条件，且测试结果具有较好的重现性和准确性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：十二烷基苯磺酸钠、氯化钾、氯化钠、六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、氢氧化钠、聚乙二醇6000、聚乙二醇4000、聚乙二醇10000、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、无水乙醇（C2H5OH），均为分析纯。

仪器：ZetasizerNano ZSP纳米粒度、Zeta电位和绝对分子量分析仪；JSM-7800F Prime场发射扫描电镜（SEM）；KQ-500DE数控超声波清洗器。

1.2 氧化钇粒径测试步骤

准确称量超细氧化钇粉体于1 000mL烧杯中，用量筒精确量取500mL去离子水加入烧杯中，加入不同类型的分散剂，用玻璃棒初步搅拌均匀，然后在超声仪中超声分散一定的时间，用注射器吸取分散好的液体快速放入样品池中，测定样品的平均粒径及分散液的Zeta电位。

2 结果与讨论

2.1 氧化钇粉体SEM分析

首先制备出不同粒径的氧化钇粉体，对其进行SEM分析，结果见图1。a样品平均粒径约130 nm，b样品平均粒径约50 nm，a、b样品粒径均一且基本无团聚；c样品粒度分布较宽，为100～300 nm。先用a样品为标准进行测试条件的优化，找到最佳测试条件，再用b、c样品对最佳测试条件进行验证。

图1 不同粒径氧化钇粉体SEM照片

2.2 分散剂种类及用量对氧化钇粉体粒径测试结果的影响

选择分散剂水溶液质量浓度为1.0 g/L、超声波功率为300W、超声分散时间为4min、氧化钇质量浓度为100mg/L、折射率为1.70，考察分散剂种类对氧化钇粒径测试结果的影响，结果见表1。由表1可见，采用多聚磷酸钠为分散剂时氧化钇的平均粒径测试结果最小且分散系数较小。这个结果与测得的含有多聚磷酸钠分散体系Zeta电位绝对值最大相对应，表明氧化钇颗粒表面带有更多的电荷，颗粒间的静电排斥力增强，颗粒彼此间很难再靠近，可以使氧化钇颗粒呈现良好的悬浮状态，有利于测试的准确性。通过与大分子分散剂（PEG）的空间位阻作用对比，也说明在较稀的分散体系下粉体的分散主要还是靠颗粒间的静电排斥力作用。

表1 不同分散剂对氧化钇粉体粒径测试结果的影响

用不同质量浓度的多聚磷酸钠水溶液制得氧化钇悬浊液，氧化钇粒径测试结果见表2。由表2可见，随着多聚磷酸钠用量的增加氧化钇平均粒径先减小后增大，Zeta电位绝对值先增大后减小。显然，当多聚磷酸钠用量较少时，颗粒吸附的电荷不足，颗粒间产生的静电排斥力较小，造成颗粒团聚；当多聚磷酸钠用量太大时，在大量离子的作用下颗粒表面的双电层厚度被压缩，Zeta电位绝对值降低，液相中颗粒的分散性变差，造成测试结果偏大。因此，只有适量加入分散剂才能使颗粒在液相中分散较好，呈单颗粒状态，利于测试结果的准确性。

表2 多聚磷酸钠用量对氧化钇粉体粒径测试结果的影响

2.3 折射率及氧化钇粉体用量对氧化钇粉体粒径测试结果的影响

1）折射率对氧化钇粉体粒径测试结果的影响。目前，微米颗粒特别是纳米颗粒折射系数的确定一直没有统一的方法。耿淑华等［7］研究了颗粒折射率的确定方法，认为在运用马尔文激光粒度仪时，对于测量粒径较大的颗粒，颗粒的折射率对测量结果影响不大，可以不考虑颗粒折射率的影响；而对于亚微米级小颗粒，特别是对纳米级颗粒的测量，则需要同时提供颗粒与分散介质的折射率。颗粒测量结果的准确性与可靠性，取决于输入折射率与实际折射率的偏差大小。分散介质的折射率可以比较容易地从文献资料中查得（如水的折射率为1.330），而待测颗粒折射率的获得较为困难，需要通过实验确定。选择多聚磷酸钠用量为1.0 g/L、氧化钇质量浓度为100mg/L，超声波功率为300W，超声时间为4min，考察不同折射率条件下氧化钇粉体粒径的测试结果，见图2a。由图2a可知，折射率对氧化钇粉体平均粒径的测量结果有较大的影响。当输入折射率与样品实际折射率的偏差较大时，测量结果与实际粒度相差也越大。对于纳米氧化钇悬浊液的测量，折射率选择1.65比较合适。

2）氧化钇粉体用量对其粒径测试结果的影响。选择多聚磷酸钠用量为1.0 g/L、折射率为1.65，超声波功率为300W，超声时间为4min，考察氧化钇粉体用量对其粒径测试结果的影响，见图2b。由图2b可见，随着氧化钇用量的增加，氧化钇平均粒径的测试结果呈现先减小后增大的趋势。原因可能是，氧化钇用量较大时单位体积粒子数量较大，碰撞频率大，导致颗粒团聚，造成平均粒径测试结果偏大。当然，分散体系中颗粒太过密集也会造成光束受到阻挡而无法正常穿过，光电探测器无法获得准确的光强分布信息，使得测试结果出现偏差。当氧化钇用量太少时，一方面会导致取样不具有代表性，使得测试随机误差大；另一方面会导致单位体积粒子个数太少，颗粒散射光信号强度不够，使得测试结果不准确。因此，氧化钇粉体的用量在100～150mg/L为宜。

图2 折射率（a）及氧化钇粉体用量（b）对氧化钇粉体粒径测试结果的影响

2.4 pH对氧化钇悬浊液稳定性的影响

用不同pH的氢氧化钠水溶液配制质量浓度为100mg/L的氧化钇悬浊液，放入比色管中静置观察，见图3。随着pH增大氧化钇悬浊液稳定性下降，溶液pH越大氧化钇颗粒沉降的速度越快。在体系pH为8.0时氧化钇悬浊液的稳定性最好，24 h不沉降。实验表明，适量氢氧化钠的加入可以让氧化钇颗粒表面带一定量的电荷，使颗粒间产生的静电斥力大于吸引力，粉体颗粒处于稳定的悬浮状态而不下沉；而当分散液中氢氧化钠的浓度太高时，大量离子就会压缩颗粒表面双电层的厚度，导致颗粒间静电斥力小于其引力，造成颗粒团聚而下沉。

图3 pH对氧化钇分散体系稳定性的影响

用pH为8.0的氢氧化钠水溶液配制质量浓度为1.0 g/L的多聚磷酸钠溶液，并制成质量浓度为100mg/L的氧化钇悬浊液，取氧化钇测试折射率为1.65，超声波功率为300W，超声时间为4min，氧化钇粒径测试结果见表3。由表3发现，用pH为8.0的氢氧化钠水溶液制成的多聚磷酸钠溶液为分散剂，氧化钇粒子所带电荷更多，粒子间斥力更大、分散性更好，体系更稳定。

表3 氢氧化钠和多聚磷酸钠分散体系对氧化钇样品粒径测试结果的影响

2.5 超声强度和超声时间对氧化钇粒径测试结果的影响

为考察制备悬浊液时超声波功率对样品粒径测试结果的影响，用pH为8.0的氢氧化钠水溶液配制质量浓度为1.0 g/L的多聚磷酸钠溶液作为分散介质，氧化钇用量为100mg/L，超声时间为4min，取测试折射率为1.65，在不同超声波功率下测试氧化钇颗粒的粒径，结果见表4。随着超声波功率的提高，测得样品的平均粒径呈现先减小后增大的趋势。这是因为，超声波功率较小时，不足以打碎软团聚体，测试结果偏大；当超声波功率太大时，容易使分散介质温度升高，氧化钇颗粒间碰撞频率加剧，造成已经分散开的颗粒再次聚集在一起，故氧化钇粒径的测试结果变大。因此，选择超声波功率为300W较适宜。

表4 超声波功率对氧化钇粒径测试结果的影响

选定超声波功率为300W，研究超声分散时间对氧化钇粒径测试结果的影响，样品粒径测试结果见图4。

图4 超声分散时间对氧化钇粒径测试结果的影响

由图4看出，随着超声时间的增加测得样品的粒径逐渐减小，在超声时间为10min时测得样品的粒径达到最小值，与氧化钇的SEM分析结果基本一致。随着超声时间继续延长，分散介质温度开始慢慢升高，颗粒间的碰撞频率增大，造成已分散开的颗粒因碰撞而重新聚集在一起，导致测试结果变大。

2.6 实验数据重现性

用pH为8.0的氢氧化钠水溶液配制质量浓度为1.0 g/L的多聚磷酸钠溶液作为分散介质，氧化钇用量100mg/L，超声波功率为300W，超声时间为10min，取测试折射率为1.65，平行测试6次，得到氧化钇平均粒径测试结果，见表5。从表5可见，测试数据重现性很好，相对标准偏差很小（0.84%）。

表5 重复性实验数据

2.7 测试优化条件验证

采用优化条件分别对a、b、c氧化钇样品悬浊液进行粒径测试，结果见图5。a样品主要由粒径为100～200 nm的粒子组成；b样品主要由粒径为35～75 nm的粒子组成，粒径分布区间较小；c样品主要由粒径为110～600 nm的粒子组成，粒径分布区间较大。验证测试结果与SEM结果基本一致，可以认为获得的优化测试条件适合于纳米级至亚微米级氧化钇粉体的粒径测量。同时也可为其他稀土氧化物的粒度测定提供一定的参考。当然，激光粒度仪与SEM照片给出的粒度信息是否一致取决于粉体的团聚情况，若粉体不团聚则二者测试结果一致；若粉体团聚现象严重、分散性差，则二者测试结果偏差较大。

图5 不同粒径氧化钇激光粒度分布测试结果

3 结论

使用激光粒度分析仪测量氧化钇粉体的粒径，分散介质的组成对悬浊液的稳定性有显著的影响，制备悬浊液时超声波功率和超声时间对固体的分散效果有影响，对纳米级或微米级固体形成的悬浊液进行粒径测量时必须选择合适的折射率。

［1］王惠玲.超细粉体粒度测试方法浅析［J］.无机盐工业，2004，36（4）：49-51.

［2］周新木，张丽，曾慧慧，等.超细、纳米氧化锌激光粒度分析研究［J］.硅酸盐通报，2007，26（1）：212-216.

［3］于晓微，付春明，张晓波，等.激光粒度仪测定锰酸锂粒度的条件试验［J］.无机盐工业，2014，46（6）：62-63，71.

［4］刘润静，靳悦淼，赵华，等.激光粒度仪测定纳米硫酸钡粉体粒度的研究［J］.无机盐工业，2014，46（8）：37-40.

［5］刘亚青，刘玉敏，胡永琪.激光粒度仪测定近纳米氢氧化铝粒径的研究［J］.现代化工，2015，35（3）：175-177.

［6］宋波，张天壤，李峥，等.用激光粒度仪测定纳米碳酸镁铝粉体粒度［J］.无机盐工业，2012，44（5）：53-54.

［7］耿淑华，丁伟中，郭曙强.激光粒度分析中颗粒折射率的确定方法［J］.上海金属，2014，36（2）：1-4.

Optim ization on test conditionsof particle sizeof sphericalyttrium oxide

Jia Youshun，Wu Hongda，Zhang Bingbing，Zhang Zeyuan
（College of Biologicaland Chemical Engineering，GuangxiUniversity ofScience and Technology，Liuzhou 545006，China）

The conditionsofmeasuring the particle size ofyttrium oxide powderby laser particle size analysiswere studied in detail.The results showed that the type and amountof dispersant，the amountof yttrium oxide powder，ultrasonic power，and ultrasonic time had great influence on the test resultsof the average particle size of the powder.For themeasurementof particle size ofnanometeror submicron powderofyttrium oxide，the suitable conditionswereobtained as follows:preparing 1.0 g/L poly sodium phosphate solution with sodium hydroxidewith pH of8.0 as the dispersionmedium，the dosage of yttrium oxide was100mg/L，ultrasonic powerwas300W，ultrasonic timewas10min，and refraction ratewas1.65.

sphericalyttrium oxide；particle size；laserparticle sizeanalysis；measuring condition

TQ133.23

A

1006-4990（2017）06-0081-04

2017-01-16

贾佑顺（1987—），男，硕士研究生，研究方向为无机功能材料制备。

吴洪达（1958—），男，教授，硕士生导师。

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻1598007-25）。

联系方式：whongda@126.com