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1、Mastersizer 2000Part 1基本原理基本原理Part 1 目标通过本章学习，您应该了解: 粒径基本概念 等效圆球粒径 激光衍射原理 大小粒径颗粒的激光散射差异粒径的基本概念提到粒径，我们首先想到什么? 您可以这样表示: “360 x140 x120mm”不过这种表述需要3个数值，对于复杂三维物体，我们如何使用一个数值来表示这个物体？概念概念 等效圆球左侧的圆柱体与右侧的球体具有相同的体积。激光衍射 基本原理如何根据激光衍射测量粒径?激光衍射 光散射大颗粒的散射角小小颗粒的散射角大激光衍射法粒径测试基本原理示意图激光衍射法粒径测试基本原理示意图The Mastersizer 20
2、00 测量光路图对于微米量级的小颗粒测量，MS2000使用波长为466纳米的蓝光提高检测信号强度。The Mastersizer 2000 测量光路图The Mastersizer 2000测量Mastersizer软件的测量窗口实时显示不同角度的散射光强。横坐标对应光强检测器编号，检测器编号越大意味着检测器检测的光散射角度越大Low AngleHigh AngleThe Mastersizer 2000测量Data Graph - Light Scatte ring 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Nu
3、m ber0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Light EnergyG lass B eads, 19 O ct 1999 11:12:39典型的大颗粒的数据图 散射光集中在小角度The Mastersizer 2000测量典型的小颗粒的数据图 散射光集中在大角度Part 1 小结现在您应该明白 粒径的基本概念 等效圆球概念 激光衍射法测量的基本原理 大小颗粒衍射的差异Mastersizer 2000 Part 2 理解粒径分布Part 2通过本章学习，您应该理解: 如何根据散射光强得到颗粒粒径分布 体积分布的意义 D4,3 和 D3,2 ，
4、以及其他导出粒径的含义 这些导出粒径能够告诉我们有关粒径分布的哪些信息激光衍射法 得到粒径分布结果激光衍射法实际是测量被颗粒散射的不同角度光的光强但是.根据散射理论，我们能够预先推算出已知粒径分布颗粒的散射光角度分布 如何根据散射理论得到颗粒的粒径分布? 通过数学反演，我们利用散射光强得到粒径分布粒径分布的计算过程激光衍射法 得到粒径分布结果红色曲线表示根据粒径分布得到的散射光强分布理论值，绿色曲线表示仪器实际测量得到的光强分布。理论值与实际测量值的差异被计算处理，以残差表示。 这里有少许误差这里有少许误差.还有这里还有这里粒径分布表示Mastersizer 2000 测试系统被设计成体积相关
5、，即不同粒径、相同体积的颗粒所衍射的光强是相等的。因此测量所得的粒径分布是体积分布，这与系统的灵敏度是一致的。 应该怎样理解体积分布?粒径分布表示体积分布，顾名思义，即基于颗粒所占的体积；一百万颗1微米颗粒所占体积与一颗100微米颗粒体积相当；因此当你必须正确理解颗粒体积分布与数量分布，在转换不同分布结果往往会出现问题。颗粒粒径分布的不同表示假设样品中存在等量的三种粒径的颗粒，单位分别为1，2，3如果使用光学显微镜测量-这种技术测量结果是基于数量分布的-然后观测分布结果。颗粒粒径分布的不同表示-数量分布颗粒粒径分布的不同表示-体积分布粒径分布统计学均值是一个被“平均化”的粒径 没有一个惟一的均
6、值，我们可以根据不同的因素平均化样品整体颗粒粒径: 体积 表面积 数量 或者其他一些物理参数不同的颗粒均值对颗粒粒径分布的不同特征敏感常见的两种加权颗粒均值如下:D3,2 或 Sauter 均值粒径 这是表面积加权平均值D4,3 粒径 这是体积加权平均值 粒径分布统计学所有值都由于平均的方法不同与权重不同而异，以所有值都由于平均的方法不同与权重不同而异，以Dp,qDp,q表示表示D0,0=D0,0=几何平均直径几何平均直径= =D1,0=D1,0=算术平均直径算术平均直径= =D3,2=SauterD3,2=Sauter平均直径平均直径= =D4,3=D4,3=体积权重平均直径体积权重平均直径
7、= =exp(ln)ndniiindniiindndiiii43不同平均值23iiiidndn中值意味着样品颗粒中有一半颗粒的粒径低于该值，而另一半颗粒粒径均大于该值 中值通常还以下属三种形式出现: 体积百分比50 Dv50 Dv,0.5V表示粒径中值是基于体积分布导出的其他体积百分比数值如Dv10 ，Dv90 定义也是基于同样意义粒径分布统计学iiiVdddV5050|径距(Span)，描述分布的宽度，定义为： (D90-D10)/D50一致性(Uniform)，表明分布偏离中心的程度，定义为：结果中其他一些参数的含义浓度(Concentration)，表明所测样品的体积浓度，是由朗伯-比尔
8、定律计算得到的比表面积(SSA)，也是由公式计算得出，只有在输入样品的准确密度值时才有参考意义，且默认样品是球形、无孔的Part 2 小结通过本章学习，您应该理解: 如何根据散射光强测量值得到粒径分布 体积分布的真正意义 D4,3 ，D3,2等导出参数的意义 这些导出的分布参数能够提供给我们关于颗粒粒径分布哪些信息Mastersizer 2000Part 3数据质量Part 3通过本章学习，您应该理解: 理解数据报告以及其与散射光强的关系 理解粒径测量过程中背景测量的重要性 识别常见的导致差背景的影响因素 知道如何在干法或湿法测量中取得较好的信噪比数据质量 介绍数据是什么? 数据就是由被测量样
9、品生成的散射光强 数据并不是粒径结果 数据与样品光学模型无关 稳定结果取决于稳定的数据Data Graph - Light Scatte ring 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Num ber0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Light EnergyG lass B eads, 19 O ct 1999 11:12:39数据质量 介绍高质量的数据需要具备有哪些要素?首先需要一个良好的测量背景，要求 样品窗洁净，分散介质无杂质 系统完成对光 背景稳定，不
10、随时间有很大波动样品数据充分 有足够的信噪比 防止出现负的数据值 避免多重散射作用的影响 避免测量光束偏转(avoiding beam steering)事实上这些原则适用于所有基于激光衍射法的仪器数据的构成背景数据背景数据样品数据样品数据背景数据与系统洁净度一个好的测量需要洁净，稳定的背景 在数据图上直观的显示就是散射光强随着检测器序号的增加递减Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Number0 10 20 30 40 50 60 70 Light
11、 EnergyBackground data在在 20号检测器散射光强度低于号检测器散射光强度低于20干净的背景 湿法测量系统一个好的湿法测量背景应该与下图一致. 注意： 第一个检测器的光强不超过200； 背景随时间的波动很小差的背景 有杂质附着在样品窗上背景显示中的小峰通常意味着有物质附着在样品窗上样品窗被污染了样品窗被污染了?差的背景 分散介质被污染分散介质中存在的杂质导致背景波动大，不稳定；分散介质中的气泡也会产生类似的效果。差的背景 系统对光不准突出的柱状条意味着系统对光不准；可能的原因有： 样品窗上有污染物，清洗干净后再重新对光可以消除该现象； 样品窗口固定过紧； 分散介质的温度正在
12、发生变化。柱状条参差不齐柱状条参差不齐差的背景 有机分散介质中存在温度梯度被测样品大约 30C，但溶剂的温度很低溶液中的温度梯度导致激光散射光束、激光对准发生大的波动，系统背景差溶液中的温度梯度溶液中的温度梯度 如何判断存在温度梯度?经过几分钟的温度平衡，分散剂温度保持一致，背景也会逐渐稳定；若背景还不稳定，请把分散剂容器盖上盖子以减轻溶剂蒸发。 - 最前面编号的检测器散射光强的急剧波动避免差的背景 最后的检查.提示添加样品时，测量窗口的散射光强应该是随机变化的； 该窗口中的“突起”意味着分散剂中含有杂志，分散剂被“污染”系统洁净时的检测窗口系统洁净时的检测窗口避免差的背景 最后的检查.分散剂
13、被污染后，系统的检测窗分散剂被污染后，系统的检测窗口图示口图示提示添加样品时，测量窗口的散射光强应该是随机变化的； 该窗口中的“突起”意味着分散剂中含有杂志，分散剂被“污染”样品数据 添加适量的样品 介绍本节术语：遮光度遮光度Obscuration：被样品散射的激光光强，也可作为样品浓度的指示信噪比信噪比Signal-to-noise ratio： 信号强度与背景的比值多重衍射多重衍射Multiple scattering：当加入过多样品，被某样品颗粒散射的光束又入射到其他样品颗粒上产生新的散射添加样品应该添加多少样品? 加入样品量太少： 信噪比太低，或者： 加入的样品不足，难以代表真实物质颗
14、粒分布 尤其当样品颗粒粒径分布较广时 加入样品量太多： 导致多重散射，影响最终结果粒径分布 尤其当样品颗粒很小时（通常小于10微米）多少样品量（遮光度）才算“合适”？添加样品需要添加多少样品?当前已添加的样品颗粒有多少?2 微米乳液颗粒微米乳液颗粒 在相对较低遮光度情况下就容易出现多重散射现象 一滴乳液中含有非常多的样品颗粒玻璃珠玻璃珠 (dv50 约为 60微米) 每毫升溶液中的样品颗粒少， 样品粒径分布宽 不容易出现多重散射而且而且需要更多的样品以表征真实样品特征添加样品 关于合适遮光度的指导湿法测量 如果样品颗粒较精细，较低的遮光度更合适，大约5-10% 的遮光度就可以有很好的信噪比 若
15、样品颗粒较粗，遮光度可以适当提高到5%12% 若样品颗粒粒径分布较广，15-20% 可能是合适的，因为需要实现正确取样 过高的遮光度将导致多重散射信噪比 大颗粒测量(42.58 微米的玻璃珠在遮光度只有5%的情况下的测试结果) 需要指出的是：在测量大颗粒时，洗澡比通常很高，因为散射光强很高。相应地，信噪比对于大颗粒测量来说很容易达到要求。 signal to noise ratio is less of an issue for large particles.高样品信噪比Maximum signal 280units高样品信噪比高样品信噪比信噪比 小颗粒测量(0.91微米碳化硅颗粒在遮光度为
16、5%的情况下测量结果 )最大信噪比 5单位信噪比是样品散射光强与背景信号强度之比。因为小颗粒散射光强较低，因此必须确保背景信号不“淹没”样品散射信号。不过，上图中的信号还是质量不错的。因为样品信号数据与背景数据只在较小的部分发生重叠，信号具有足够的强度。多重散射检测器高编号的检测器低编号检测器样品窗增加遮光度（样品浓度）将增加发生多重散射的风险。多重散射导致在更高编号检测器上检测到散射光强，而更高编号的检测器意味着更小的颗粒。高编号检测器检测到的信号意味着较小的颗粒湿法分析 多重散射.导致样品颗粒细粉的存在被夸大了若对结果存在疑问，可以在不同遮光度条件下进行测量，检验是否随着遮光度的提升样品颗
17、粒粒径分布发生变化。 Particle Size Distribution 0.03 0.3 3 Particle Size (m) 0.073858 2.0739 4.0739 6.0739 8.0739 10.074 Volume (%)SiC 5% obsc, 21 July 2003 11:31:16SiC 10% obsc, 21 July 2003 11:35:37SiC 20% obsc, 21 July 2003 11:44:28SiC 40% obsc, 21 July 2003 12:02:22负的数据 介绍当测量小的，散射强度的颗粒是，一个洁净的测量背景对于测量结果十分重
18、要。 如下图所示，小的背景波动也可能 .导致系统因为要从测量信号中去除背景信号，最后得到负的信号数据。避免负的数据对于小颗粒测量而言，稳定的背景尤为重要，因为要避免出现多重散射的情况，遮光度较低，波动的背景会导致负的信号数据。因为信号数据是在添加样品后的测量数据减去背景数据得到的，大的背景波动可能导致信号数据为负在数据表上可以很容易地观察到负的数据 负的数据负的数据 小结 数据质量背景数据 确保： 样品池玻窗上没有物质黏附 分散剂洁净无污染 分散剂不存在温度梯度 系统正确对光 样品数据 检查： 合理的信噪比 不存在多重散射 没有负的数据 没有噪声数据 检测器信号数据平滑无残缺 测量过程中光束无
19、偏转beam steering光学参数 Part 4Mastersizer 2000Part 4通过本章学习，您需要理解以下相关知识： 采用米氏理论的重要性（Mie Theory） 折射率等光学参数对于最终粒度数据转换的重要性 如何查找正确的光学参数 对于您的样品来说，什么才是准确的光学参数 如何根据拟合与残差数据判断样品光学参数是否正确光学参数 意味着?应用米氏理论，需要3个光学参数 它们分别是： 分散介质的折射率 样品物质的折射率 样品物质的虚数折射率 （即我们通常称作的吸收率）虚数折射率 （吸收率） 可以通过光学显微镜观察样品颗粒的形状，透光率和内部结构获得 吸收率通常只需要精确到10的
20、倍数即可，例如可以为 0.1 或 0.01而不是 0.023光学参数 意味着?00.0010.010.11.0+乳液Lattices乳剂 Emulsions浅色粉末Slightly colored powders晶体粉末Crystalline milled powders深色粉末或金属粉末如何根据显微镜下的显示判断样品颗粒的吸收率？ 显示 虚部 RI 例如光学参数 如何得到样品的折射率通常有三种途经获得样品颗粒的折射率 查找参考文献，手册 使用折射计测量 使用显微镜光学参数 折射率的准确性折射率通常只需要保留2位小数位， 例如：1.42 而不需要1.4234 选择合适的光学参数数据拟合从下图我
21、们可以看见测量的光强曲线与根据结果推导的理论光强曲线基本重合实际光强曲线与理论光强曲线的一致性被称为“数据拟合”数据拟合的效果体现在“残差Residual”值上Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Detector Number0 50 100 150 200 Light EnergyFit data(weighted) 10 August 2001 16:52:43选择合适的光学参数残差残差是理论光强数据与实际测量所得光强数据的最小二乘拟合差值 (基于光学参数) 通常
22、小的残差值意味着测量结果正确可靠选择合适的光学参数检查拟合效果在小号码检测器处出现较差的拟合，通常意味着折射率参数选择的不够准确.D ata Grap h - L ig h t Scatterin g 1 3 5 7 9 11 14 17 20 22 25 28 31 33 36 39 41 44 47 Detector Num ber0 5 10 15 20 25 Light EnergyCom pound A, 29 M arch 2005 15:16:52差的拟合效果意味着差的拟合效果意味着选择的折射率参数不选择的折射率参数不够准确够准确选择合适的光学参数检查拟合效果在大号码检测器处出现
23、的较高残差意味着吸收率参数选择不够准确Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Detector Number0 5 10 15 20 25 30 35 Light EnergyTC 1 during 100% u/s, 11 January 2005 13:36:27差的拟合效果意味着选差的拟合效果意味着选择的样品颗粒吸收率参择的样品颗粒吸收率参数不够准确数不够准确光学参数 小结米氏理论比夫琅合费分析模型更准确的地方在于其考虑了物质的光学参数对测试光强的影响 对于存在小于
24、50m的样品来说，这一点尤为重要当使用米氏理论时，选择合适的光学参数很重要 - 请确保光学参数的准确性一般通过观察残差数据可以帮助您选择光学参数 不过不要拘泥于此，最好还通过其他方法验证观察测试结果 与您预计的一致吗? 另外不要在数据质量差的情况下判断光学参数是否正确Mastersizer 2000Part 5 分析模式Part 5通过本节的学习，您将：了解每个分析模式的功用了解每个分析模式应用的具体条件选择合适的分析模式选择合适的分析模式，有利于应用软件更好地“理解”散射光强数据选择分析模式之前，您需要了解待测样品颗粒的一些特点MS2000提供的数据分析模式通用模式General purpo
25、se model通用模式适用于颗粒粒度分布较宽的样品通用模式适用大多数样品的分析，包括磨料粉末，乳液颗粒等对于特征未知的样品颗粒，通用模式应该是首选的分析模式单峰模式Single narrow mode model该分析模式适用于颗粒粒度不超过10倍的样品 例如 0.1-1m, 1-10m, 10-100m, 100-1000m.这类样品包括乳胶颗粒标准，或者被分级处理过样品（专门处理使样品颗粒的粒度分布很窄） 多峰模式Multiple narrow modes model该分析模式适用于已知样品分布是由多个粒度分布很窄的颗粒混合样品该分析模式与通用模式相比，灵敏度很高，但是其稳定性也相应降低，在应用时需要注意颗粒外形 球形还是不规则?不规则外形的小颗粒 (1m) 导致散射光在不同方向上极性差异增大选择不规则外形有助于分析软件正确“理解”因上述原因导致的大角度上的散射光强信号并不是所有的激光衍射测量设备都具有外形修正功能不规则外形分析模式应该是分析的首选模式，因为大多数研磨颗粒外形都是不规则的球形颗粒比较少见，多见于玻璃珠，乳胶颗粒或乳液样品计算灵敏度存在两种计算模式：普通或增强 普通灵敏度 - 对于多数测量适用 增强灵敏度 分析灵敏度更高，但是稳定性有所降低Part 5 小结经过本节的学习您应该了解： 每种分析模式的功能 每种分析模式的适用条件演讲完毕，谢谢观看！