Способ определения среднего размера частиц пигментов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТЩ ПИГМЕНТОВ, взвешенных в прозрачной среде, заключающийся в пропускании через взвесь монохроматического излучения на разных длинах волн, измерении спектральньк показателей ослабления света , отличающийся тем. что, с целью упрощения и уменьшения времени анализа, определяют длину волны . , при которой показатель ослабления имеет максимальное значение Кц , а также длину волны 2 , при которой показатель ослабления . имеет минимальное значение, разбавляют взвесь до достижения однократного рассеяния света на частицах, определяют длину волны Л в спектральном интервале Д ±0,05 мкм, где рассеяние минимально, на этой длине волны определяют показатель ослабления К исходной взвеси и средний размер г.частиц находят по формуле:. I А , - / А (Л Z- I j 17 где А,В,С, - коэффициенты, приниманнцие следующие значения; А 14,52 - 40,31; В 0,30 5,03; С « -0,58 0,95. 00 ел tsp СХ 00

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) С 01 N 15/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ формуле:

А

2Т В+К„/Кт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3640492/24-25 (22) 09.09 ° 83 (46) 23.06.85. Бюл. N 23 (72) Н.И. Дудо, А.П. Прншивалко, Б.Г. Аристов и Б.А. Баранов (53) 548.137(088.8) (56) 1. Карелин Б.А., Луцкий В.К.

Методы и аппаратура для измерения размеров частиц. M., Химия, 1966, с. 94 . о 2. Шифрин К.С., Перельман А.Н.

Оптика и спектроскопия. 1963, т.15, И 4, с. 533.

3 ° Авторское свидетельство СССР

Н 1002911,.кл. G 01 N 15/02, 1981. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ПИГМЕНТОВ, взвешенных в прозрачной среде, заключающийся в пропускании через взвесь монохроматического излучения на разных длинах волн, измерении спектральных показателей ослабления света, отличающийся тем, „„SU„„1135288 что, с целью упрощения и уменьшения времени анализа, определяют длину волны Л„, при которой показатель ослабления имеет максимальное значение К„, а также длину волны 1 при которой показатель ослабления . имеет минимальное значение, разбавляют взвесь до достижения однократного рассеяния света на частицах, определяют длину волны il в спектральном интервале Р< +0,05 мкм, где рассеянйе минимально, на этой длине волны определяют показатель ослабления К исходной взвеси и средний размер r.÷àñòèö находят по где А,В,С, — коэффициенты, принимающие следующие значения: А

14,52 - 40,31; В = 0,30 - 5 ° 03, С -0,58 О ° 95.

1135288

Изобретение относится к области оптики рассеивающиХ сред и может быть использовано для оперативного контроля дисперсного состава пигментов. 5

Оперативный контроль дисперсного состава открывает пути значительного снижения расхода красок и дорогостоящих, часто дефицитных синтетических пигментов. 10

Известен способ определения размеров частиц пигментов на основе процесса центрифугирования, в котором определяют временную зависимость веса осажденных частиц, а затем по 15 известной формуле производят расчет размеров частиц каждой фракции и средний их размер {1J.

Основным недостатком способа является значительная погрешность в щ определении размеров частиц. С умень. шением размеров частиц резко возрастает время их движения в поле центробежных сил, в течение которого могут изменяться как угловая скоростью вращения центрифуги, так и температура седиментационной жидкости, а следовательно, ее вязкость, величина которой входит в расчетную формулу.

Этот способ невозможно использовать в поточном производстве пигментов, поскольку он пригоден для анализа лишь отдельных проб, а также значительно продолжителен процесс анализа во времени как при центрифугировании, так и при последующем расчете размеров во временной зависимости веса осажденных частиц.

Известен метод спектральной прозрачности для определения функции

40 распределения частиц по размерам (2).

Укаэанный метод может быть применен к таким дисперсным средам, показатель преломления которых в исследуемой спектральной области имеет пос45 тоянное значение. Следовательно,для определения размеров частиц цветных пигментов, оптические постоянные . которых даже на небольшом участке спектра изменяются в широких пределах . 0 этот метод непригоден.

Наиболее близким по технической . сущности является способ определения среднего размера частиц, взвешенных в прозрачной среде, заключающийся

«.55 в пропускании через взвесь монохроматического излучения на разных длинах волн, изменении спектральных показателей ослабления света 3 ).

\ CO

° К »,Лр,„) Z(r}а»

3 о а

ref (r) dr где o

Сч -3/И r ЕС )d о г2К »,Л, n,õ)Ö„!àr о

0О

C,tC, (5j (e) Цель изобретения — упрощение и уменьшение времени анализа размеров частиц пигментов.

Цель достигается тем, что в известном способе, основанном на пропускании через взвесь исследуемых частиц монохроматического излучения на разных длинах волн, измерении спектральных показателей ослабления света, определяют длину волны Л„, при которой показатель ослабления имеет максимальное значение К,, а также длину волны при которой показатель ослабления имеет минимальное значение, разбавляют взвесь до достижения однократного рассеяния света на частицах, определяют длину волны Л в спектральном интервале Ъ +0,05 мкм, где рассеяние минимально, на этой длине волны определяют показатель ослабления К исходной взвеси и средний размер частиц на рдят по формуле: где Л вЂ” длина волны излучения в сре1 де;

А,В,С вЂ” коэффициенты, принимающие следующие значения:

А = 14 ° 52 40ю31е 8=0в30

5,03; С = -0,58-0,95.

Сущность изобретения заключается в следующем. Сведения о дисперсном составе многих веществ позволяют аппроксимировать распределение их частиц по размерам с помощью гаммараспределения ()=Ф екр - а — }, 2)

Ц / ь где а, г...и — подгоночные параметры модели, определяющие концентрацию частиц, их наиболее вероятностный или модальный радиус и полуширину функции распределения.

Переходя из числовой концентрации частиц N к объемной, имеем:

1135288

0 8 4 / 4 3 величина К практически

1 нечувствительна к изменению параметра микроструктуры и в укаэанных выше интервалах изменения г и р.

5 в основном определяется значением среднего радиуса частиц

Таким образом, величину К практически можно считать функцией переменных я, х, Л, r . Учитывая соотношение для среднего параметра дифрации, приходим к выводу, величина К является функциеи трех ех переменных, т.е. K = f

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 и l1,51,,5 1,5 1,9 1,3 1,2 1,1 х 0,50,7 1,0 1,00,30,2 0,7

При больших значениях и и х (кривые 1-4) функция К весьма слабо зависит от оптических постоянных 35 вещества частиц. Для значений 1, 1 (n » 1,5 и О, 15 < х с 0,5 проявляется существенная зависимость величины К от оптических постоянных веще40 ства частиц (см. кривые 5 и 6). Однако в областях значений оптических постоянных 1,0(r (1,1 и 0,05(х 0,15 практически отсутствует зависимость

К от параметра дифракции (кривые 7-11)

Таким образом, как видно из фиг.1, значения показателя ослабления, с одной стороны, в области n o 1,5 и

x) 0 5 (где проявляется слабая чувs ствительность показателя ослабления

К к изменению оптических постоянных и высокая его чувствительность к ихизменению параметра дифракции p ) и, с другой стороны, в области 1,0 ( (д (1 1 и 0,05 «» x < 0,15 (где показатель ослабления практически не за-, 55 висит от параметра дифракции) можно использовать для определения средне(ю го размера частиц. Отношение К, /K2

Таким образом, показатель ослабления излучения полидисперсной системой частиц является функцией многих переменных, т.е.

< = (,Ц,il, n,x.) .

Сведения о микроструктуре большин ства органических пигментов, полученные с помощью электронной микроскопии и центрифугирования, а также результаты, полученные путем обработки микрофотографий фталоцианиновых пигментов, показывают, что применение гамма-распределения вполне обосновано и в этих случаях. При этом параметр микроструктуры изменяется в диапазоне 0,8 «4 (» 4 3, модальный размер — в пределах 0,01

0 п1( « (0,2 мкм, что соответствует типичному диапазону изменения среднего параметра дифракции в видимой области спектра для большинства взвесей этих веществ в различных жидких средах 1,0 < 8. с (Анализ зависимостей величины К от у при фиксированных значениях ", 3 показал, что в области

Проведенные исследования также показали, что в области значений и = 1,5 — 2,5 и х = 0,5 - 1,5 величина К имеет весьма слабую чувствительность к изменению оптических постоянных п и х и практически является функцией лишь одного параметра.У .

На фиг. 1 представлены зависи-! мости величины К от среднего параметра дифракции у для различных значений н и х .

Значения и и и для кривых 1-11.

1,р» 1 05 1,1

p,05 р, 1 0,05 0,02 из указанных областей значений опти- . ческих постоянных однозначно определяет средний параметр дифракции о, На основании формулы (7) получаем, что величины К и К и эксперимен2 тально определяемые значения показателя ослабления связаны соотношением: к„/к,= к / к, в).

Таким образом, располагая двумя измеренными значениями показателя ослабления излучения в указанных об. ластях изменения оптических постоянных пигментов, можно однозначно определить их средний размер. Завн1 2 симость отношения К,/К от параметре дифракцин можно аппроксимировать

Фор улой вда I, С (5)

8+ к„ /к где A В,С вЂ” эмпирические постоянные, Используя выведенные соотношения имеем - ll (A Г \Ь „ К

5 предлагаемом способе все фкзические величины, по которым определяется средний размер частиц, измеря. ются исключительно оптическим кето1135288 дом, В этом состоит немаловажное препреимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Другим преимуществом укаэанного способа является исключение концентрации частиц, что позволяет работать при любых концентрациях (при условии однократного рассеяния), т,е. когда с пцествует линейная зависимость показателя ослаблен м излучения от

30 деления Частиц, пигментов по раэме;,àxI находят путем обсчета большого числа микрофотографий, полученных методом электронной микроскопии.

Для каждого образца пигмента обеспечивают около 1500-1700 изображений частиц и находят их средние размеры для каждого образца.

Показатель ослабления К вэвесей частиц каждого пигмента определяют б эисным методом по формуле 40 где 3 - толщина слоя взвеси;

Т вЂ” коэффициент пропускания слоя. :окаэатель рассеяния излучения

Кр суспенэиями пигментов определя. ют после 3-4 кратного разбавления исходных суспенэий иммерсионных средой, т.е. до достижения однократного рассеяния света на частицах, с помощью фотометрического шара по формуле:

Ы-Т, Кр К, (14) концентрации частиц.

Итак, предлагаемый метод определения срднего размера частиц может быть применен к таким реальным объектам, частицы которых в исследуемой

1 спектральной области для одних длин волн имеют высокие значения и и для других — низкие; к таким объектам относятся цветные пигменты.

Пример. Исследованы зеленый и голубой фталоцианиновые пигменты, лак рубиновый "СК", пигмент желтый прозрачный "0". Вначале экспериментально определены оптические постоянные и и „ указачпых пигментов в

2S видимой области спектра 0,4 ( 0,75 мкм по измеренным спектральным зависимостям показателей ослабления и рассеяния. Функции распрегде Ы = (Ф„„+Ф )/Ф; Ф Ф„„„,Фсоответственно рассеянный, прошедший и падающий на рассеивающую среду световые потоки.

На фиг. 2 показаны спектральные зависимости показателей ослабления (кривая 12) и рассеяния (кривая 13); на фиг. 3 — спектральные зависимости показателей преломления (кривая 14) и поглощения (кривая 15) зеленого фталоцианинового пигмента относительно среды. Как видно на фиг. 2 и фиг. 3, минимум показателя рассеяния соответствует именной той области значений и х, где значения показателя ослабления не зависят от размеров частиц, т.е. при Я

= 0,57 мкм, n = 1,1 и x=O 1 (см. фиг. 1) .

Максимальное значение показателя ослабления наблюдается при Ло=

= 0,66 мкм (это соответствует длине волны в среде Л„= 0,66/1,36; n =

= 0,49 мкм), n = 1,58 и x = 0,79.

Аналогичная зависимость характера и для голубого фталоцианинового пигмента. На фиг. 4 — спектральные зависимости показателей ослабления (кривая 16) и рассеяния (кривая 17).

На фиг. 5 спектральные зависимости

n(Л )(кривая 18) и х(Л) (кривая 19).

Минимум показателя рассеяния имеет место при Л = 0,52 мкм, при которой = 0,075 и х = 0,075, максимум показателя ослабления — при Л =0,62 мкм (это соответствует длине волны в среде Л„= 0,62/ 1,36, n = 0,46 мкм), 2,0 и x = 0,79.

На фиг. 6 — спектральные зависимости показателей ослабления (кривые

20-22) и показателей 1 ассеяния (20 -22 ) для 1 = 0,1; 0,2 и 0,3 мкм.

Расчет при этом выполнен по спектральным зависимостям оптических постоянных зеленого фталоцианинового пигмента (см. фиг. 3) °

Как видно из фиг. 6, минимальные значения показателей рассеяния наблюдаются при одной и той же длине

BoJIHbI Л = 0,57 мкм. Именно поэтому указанная длина волны используется в качестве критерия при выборе второго значения показателя ослабления.

Как видно из фиг. 2 и фиг. 4,дли-; ны волн, соответствующие минимальным значениям показателей рассеяния излучечия, можно находить в интервале Л +0,05 мкм (где Л2 — длина волны, б

1135288

Пигмент А В С Л, мкм

Голубой фталоцианиновый 18,83 0 61 0 31 0,46

Зелень|й 14,52 0,30 0,58 0,49

Желтый прозрачный

"С" 23,35 2,32 0,95 0,32

Лак рубиновый "СК" 40,31 5,08 0,45 0,35

Сравнение результатов определения среднего размера, полученных предлагаемым способом, с результатами метода электронной микроскопии показывает, что последний дает несколько завышенные значения средних

35 соответствующая минимальному значению показателя ослабления излучения), т.е. проводить измерения показателя рассеяния излучения в более узком спектральном интервале. 5

Средние размеры частиц находят по формуле (1).

Значения коэффициентов А,В,С для четырех наиболее часто используемых пигментов с учетом их оптических 10 постоянных приведены в таблице. размеров частиц. Например, для seленого пигмента найденное предлагаемым способом значение r.O 143 мкм по методу электронной микроскопии равно О, 16 мкм.

Для голубого пигмента — О, 12 и

О, 13 мкм соответственно. Приведенное различие в результатах объясняется тем обстоятельством, что обсчет размеров частиц по их изображениям на микрофотографиях практически всегда приводит к несколько завышенным значениям f. sa счет дифракционного раэмытия иэображения.

Йзобретение легко осуществимо .технически и дает хорошую точность определения среднего размера час тиц. Этот способ можно реализовать с помощью стандартного оборудования (например, спектрофотометра) практически в любой лаборатории и в цехе на потоке, позволяет производить контроль размеров частиц. при отборе оптимального размера или изменить технологию производства пигментов с целью получения оптимального дисперсного состава.

Использование предлагаемого способа в видимой области спектра в указанном интервале изменения параметров дифракции (P 1 — 8) позволяет охватить диапазон изменений средних размеров частиц (0,060,96 мкм) большинства иэвестньпС пигментов.

1135288

1135288

ФЯ

II35288

Фд

4б

1135288

04

Филд

Редактор С. Титова Техред М.Кузьма Корректор М. Максииишинец

Заказ 4493/2 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4