激光粒度儀測(cè)定錳酸鋰粒度的條件試驗(yàn)

于曉微，付春明，張曉波，張春麗

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津300131）

激光粒度儀作為測(cè)量粉體粒度大小的儀器具有測(cè)試速度快、重復(fù)性好、準(zhǔn)確性好、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)［1］。其工作原理是根據(jù)光的散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試樣品的粒度分布，顆粒越大產(chǎn)生的散射光的θ角就越??；顆粒越小產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。這樣，在不同的角度上測(cè)量散射光的強(qiáng)度就可以得到樣品的粒度分布。錳酸鋰（LiMn2O4）由于具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點(diǎn)成為理想的動(dòng)力電池正極材料，而錳酸鋰顆粒粒度的大小直接影響其電化學(xué)性能，因此粒度的測(cè)定在錳酸鋰的研制中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。筆者應(yīng)用馬爾文激光粒度儀（MS2000），從遮光度、攪拌泵轉(zhuǎn)速、超聲強(qiáng)度以及超聲時(shí)間等幾個(gè)方面，對(duì)錳酸鋰樣品粒度的測(cè)定條件進(jìn)行考察試驗(yàn)，分析了這幾個(gè)因素對(duì)錳酸鋰樣品粒度測(cè)定的影響，選擇了一個(gè)合適的測(cè)定條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及原料

MS2000型馬爾文激光粒度儀。錳酸鋰樣品，由中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院研制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用馬爾文激光粒度儀的濕法粒度測(cè)量［2］中的手動(dòng)方式，選擇好樣品的光學(xué)特性參數(shù)，輸入樣品名稱等信息，然后設(shè)定分散條件：攪拌泵的轉(zhuǎn)速、超聲強(qiáng)度及時(shí)間等。先用一次去離子水進(jìn)行背景測(cè)量，然后依據(jù)提示加入樣品：稱取混合均勻的試樣約0.5 g置于50 mL小燒杯中，加入10～20 mL一次去離子水進(jìn)行預(yù)分散，攪拌均勻后轉(zhuǎn)入裝有800 mL一次去離子水的1 L樣品槽中至合適的遮光度后進(jìn)行樣品測(cè)量，系統(tǒng)自動(dòng)完成結(jié)果計(jì)算并保存計(jì)算結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 遮光度對(duì)粒度測(cè)定的影響

根據(jù)錳酸鋰的性質(zhì)，進(jìn)行粒度測(cè)量時(shí)分散介質(zhì)為一次去離子水即可，且不需要加入添加劑。筆者另外從遮光度、攪拌泵轉(zhuǎn)速、超聲強(qiáng)度及超聲時(shí)間幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)量條件試驗(yàn)。

遮光度是表示分散介質(zhì)中所含樣品數(shù)量多少的一種度量。激光法測(cè)量粒度時(shí)，懸浮液中顆粒濃度太高，顆粒數(shù)目太多，經(jīng)激光照射后易發(fā)生多重散射，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏?。灰部赡苁诡w粒間碰撞機(jī)會(huì)增大，發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏大。反之懸浮液中顆粒濃度太低，雖然復(fù)散射現(xiàn)象得到緩解，但信噪比下降，缺乏代表性。所以在粒度分布測(cè)量過程中要選擇合適的遮光度。

馬爾文激光粒度儀推薦室溫最佳遮光率在10%～15%，而錳酸鋰樣品為黑色粉末，粒度比較小，當(dāng)遮光度比較大時(shí)，系統(tǒng)中循環(huán)的樣品量比較多，系統(tǒng)的清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在對(duì)幾組樣品在不同遮光度條件下進(jìn)行測(cè)量時(shí)（見表1）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遮光度為3%、5%、10%時(shí)其 d（0.5）基本一致，RSD 均小于 1，符合測(cè)量的誤差要求。綜合考慮樣品的代表性及系統(tǒng)中循環(huán)的樣品量，在測(cè)量中選擇遮光度為5%左右。

表1 遮光度對(duì)樣品粒度測(cè)定的影響

2.2 攪拌泵轉(zhuǎn)速對(duì)粒度測(cè)定的影響

采用濕法分散技術(shù)分散樣品。將樣品加入到分散介質(zhì)中后，系統(tǒng)通過機(jī)械泵的攪拌使樣品分散開，然后在系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)。在粒度測(cè)定時(shí)，如果泵轉(zhuǎn)速太大，中心會(huì)形成漩渦，容易攪進(jìn)氣泡從而影響測(cè)定結(jié)果，另外泵速高也有可能引起樣品產(chǎn)生新的團(tuán)聚，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；如果泵轉(zhuǎn)速太小，大顆粒樣品容易沉在樣品池的底部無法進(jìn)入到檢測(cè)池中，使測(cè)試結(jié)果偏小，也可能由于樣品分散不充分，使測(cè)量結(jié)果偏大。

取幾組樣品分別在攪拌泵轉(zhuǎn)速為1 800、2 100、2 400、2 700 r/min條件下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表2可知：攪拌泵轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)對(duì)錳酸鋰的粒徑分布影響不大。但從d（0.5）可以看出：泵速為2 400 r/min條件下測(cè)得的粒徑比較小，樣品分散效果好。

表2 攪拌泵轉(zhuǎn)速對(duì)樣品粒徑測(cè)定的影響

2.3 超聲強(qiáng)度和超聲時(shí)間對(duì)粒度測(cè)定的影響

由于大多數(shù)顆粒樣品中含有團(tuán)?；蚰郏す庋苌浼夹g(shù)不能分辨單顆粒和由單顆粒聚集成的團(tuán)粒這兩者產(chǎn)生的散射，因此在測(cè)量前通常要將試樣分散成原始顆粒。而利用超聲波可以更好地幫助分散樣品［3］。

對(duì)于錳酸鋰樣品，通過超聲使樣品盡快分散開，可以避免樣品長(zhǎng)時(shí)間停留在檢測(cè)系統(tǒng)中。在不超聲及分別超聲1、2、3 min條件下對(duì)樣品進(jìn)行粒度測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果看出RSD均小于3%，測(cè)量結(jié)果沒有顯著變化（見表3）。而設(shè)置超聲強(qiáng)度為3.00、5.00、8.00、11.00分別進(jìn)行1 min超聲，樣品粒度測(cè)量結(jié)果亦變化不大（見圖1）。但通過分析d（0.5）可以看出，超聲后的結(jié)果較未超聲有降低的趨勢(shì)。為了達(dá)到更好的分散效果，同時(shí)縮短測(cè)量時(shí)間，選擇超聲強(qiáng)度8.00、超聲時(shí)間1 min為測(cè)量條件。

表3 超聲時(shí)間對(duì)樣品粒徑測(cè)定的影響

圖1 超聲強(qiáng)度對(duì)樣品粒徑測(cè)定的影響

2.4 數(shù)據(jù)重復(fù)性

采用遮光度為5%、超聲強(qiáng)度為8.00、超聲時(shí)間為1 min、攪拌泵轉(zhuǎn)速為2 400 r/min的測(cè)量條件對(duì)2種不同粒度的樣品進(jìn)行測(cè)量，5次測(cè)定d（0.5）結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，其RSD均小于1%，說明重復(fù)性很好，也證明了方法的可靠性。

表4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)各種測(cè)試條件的測(cè)量結(jié)果以及對(duì)不同粒度范圍的實(shí)驗(yàn)物料的綜合考慮，選擇采用一次去離子水為分散劑、加入樣品超聲1 min、超聲強(qiáng)度為8.00、攪拌泵轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、遮光度為5%的測(cè)試條件進(jìn)行粒度測(cè)量。通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)可以看出，在此條件下用馬爾文激光粒度儀測(cè)量電池正極材料錳酸鋰的粒度數(shù)據(jù)重復(fù)性好，數(shù)據(jù)可信，方法可行。

［1］王惠玲.超細(xì)粉體粒度測(cè)試方法淺析［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2004，36（4）：49-51.

［2］楊道媛，馬成良，孫宏魏，等.馬爾文激光粒度分析儀粒度檢測(cè)方法及其優(yōu)化研究［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2002，8（5）：27-30.

［3］張?zhí)烊?，張雪梅，于海?激光粒度儀測(cè)定超細(xì)氧化鋁粉體粒度的研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2009，41（2）：30-32.