納米粒度分析

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,納米粒度分析,鄭秀玉,一、基本原理,1、布朗運(yùn)動,1827年植物學(xué)家布朗在用顯微鏡觀察水中懸浮的極小的花粉微粒時，發(fā)現(xiàn)花粉微?？偸窃诓煌５刈鳠o規(guī)則的運(yùn)動。后來人們就把這種運(yùn)動叫做布朗運(yùn)動。,Stokes-Einstein,方程：,D：,擴(kuò)散系數(shù),其中，,d(H)：,顆粒粒徑,(,流體力學(xué)直徑,),；,k：,波茲曼常數(shù)；,T：,絕對溫度；,h：,粘度；,d(H),=,kT,3,p h,D,顆粒越大，布朗運(yùn)動速度越慢,溫度越高，運(yùn)動越快,粘度越大，運(yùn)動越慢,布朗運(yùn)動是指由于溶劑分子的轟擊使顆粒作隨機(jī)無規(guī)則的運(yùn)動。,2、,光子相關(guān)光譜法（,PCS-Photon Correlation Spectroscopy）,光子相關(guān)光譜法（,PCS）：,測量懸浮液中做布朗運(yùn)動的粒子數(shù)和粒徑之間的關(guān)系。也稱作動態(tài)光散射（,Dynamic Light Scattering,，,DLS,）。,納米粒度分析儀測量的參數(shù)：,顆粒的平均粒徑,粒徑分布的寬度,在數(shù)據(jù)分析過程中假設(shè)顆粒都是各向同性的和球形的。,光源（激光）照射顆粒，顆粒散射光。,Screen,兩個固定的顆粒、光束反向、散射光強(qiáng)度降低。,Screen,兩個固定的顆粒、光束同向、散射光強(qiáng)度增加。,Screen,很多顆粒、很復(fù)雜的光強(qiáng)度模式。,Large Particles,Time,Intensity,作布朗運(yùn)動的分散顆粒的散射光強(qiáng)度,I（t）,沿時間軸而起伏漲落，提供分散顆粒的運(yùn)動信息。,光信號變化慢，布朗運(yùn)動速度慢,，,顆粒大,光信號變化快，布朗運(yùn)動速度快,，,顆粒小,信號改變平緩,：,信號變化慢，布朗運(yùn)動慢，顆粒大；,信號改變陡,：,信號變化快，布朗運(yùn)動快，顆粒小。,散射光強(qiáng)度的時間自相關(guān)函數(shù),G,2,（）,：,本質(zhì)上是時間差,的一個指數(shù)衰減函數(shù)。相關(guān)器能反映出光信號變化快慢情況。它是把前面的信號測完后先保存下來，后面信號與前面信號相比較。,相關(guān)器,：,能反映出光信號變化快慢情況。,樣品是大顆粒的典型的相關(guān)關(guān)系圖：,樣品是小顆粒的典型的相關(guān)關(guān)系圖：,大顆粒，中等分布寬度，存在非常大的顆粒,非常小的顆粒，中等分布寬度，不存在大顆粒,非常大的顆粒，高分布寬度，存在非常大的顆粒,光強(qiáng)度分布：,I,a,d,6,根據(jù)米氏理論，知道顆粒的折射率與吸光率：,體積與粒徑的關(guān)系,數(shù)量與粒徑的關(guān)系,光強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系,體積分布：,V,a,d,3,數(shù)量分布：,N,a,d,5nm,和,50nm,的球形顆粒、數(shù)量相同,NUMBER,VOLUME,=,p,r,3,4,3,INTENSITY,=,d,6,Diameter(nm),Relative%in class,5,10,100,50,1,1,Diameter(nm),Relative%in class,5,10,100,50,1,1000,1,Diameter(nm),Relative%in class,5,10,100,50,1,1,000,000,二、,PCS,儀器介紹,測量范圍：0.6,nm6000nm,1、激光：使用固定波長為632.8,nm,的單色連續(xù)的氦氖激光作光源；,2、樣品池；,3、光學(xué)系統(tǒng)和檢測器,4、主光束截止器；,5、相關(guān)器；,6、計算單元,三、樣品的制備和檢查,（一）分散介質(zhì),樣品應(yīng)在液體介質(zhì)中有良好的分散性。分散介質(zhì)應(yīng)滿足下列要求：,無灰塵或污染的分散介質(zhì)在儀器中不產(chǎn)生散射信號（或信號極低）。,a）,對激光波長應(yīng)是透明（不吸收）的。,b）,與儀器所用的材料相容。,c）,樣品顆粒在該液體介質(zhì)中不溶解、不膨脹、不團(tuán)聚。,d）,其折射率與顆粒的折射率不同。,e）,已知其折射率數(shù)及粘度，準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于0.5%。,f）,應(yīng)充分過濾。,（二）樣品顆粒的濃度,（四）樣品的折射率,顆粒散射光的產(chǎn)生是由于樣品與分散介質(zhì)具有不同的折射率。折射率的差異越大，樣品發(fā)生散射的動力越大。,（三）樣品的溫度,給定樣品準(zhǔn)確的溫度，計算出樣品的粘度。,樣品的溫度必須穩(wěn)定，溫度改變會使樣品池內(nèi)產(chǎn)生對流從而使峰變寬。,（五）樣品的吸光度,光通過樣品后被吸收的程度。,（六）樣品的制備,1、溶劑的凈化,過濾（灰塵）、0.2,um,的一次性過濾器,金屬離子的影響（水純化系統(tǒng)來凈化水）,2、樣品池的清潔,3、溶液/懸浮液的制備,溶液/懸浮液的制備：,3、不要長時間貯存過濾水。細(xì)菌會在貯存水中生長，在測量中產(chǎn)生散射光線。,2、在制備樣品的最后階段，為了減少再次引入灰塵的機(jī)會，要將液體與空氣的接觸減到最少。只要可能，使用直接的連接，避免接觸空氣。,1、最重要的是用純化的和經(jīng)過濾的液體沖洗每件東西（包括樣品池和蓋子、稀釋瓶和蓋子、移液管或注射器、裝緩沖液和表面活性劑的玻璃器皿）。用純化的和經(jīng)過濾的液體制備緩沖液和表面活性劑。,6、樣品在稀釋瓶中作間歇的超聲波處理，每次大約持續(xù)10秒鐘，再停頓幾秒鐘，共約2分鐘。,5、一旦樣品制備好后切勿劇烈振搖，否則溶液中會混入含有灰塵的空氣。小得看不見的氣泡比大量的所測試的顆粒將散射更多的光線。輕輕旋轉(zhuǎn)是最好的方法。,4、若可能，避免將液體噴射入燒瓶或樣品池中，讓液體沿著清潔光滑的一面注入，這樣可以減少再次引入灰塵。,溶液/懸浮液的制備,四、應(yīng)用示例,案例一：,粒徑分布分析,圖為,值，摻雜量,（）（,）,條件下制備的,經(jīng)熱處理后樣品的粒度分布曲線，可看出,樣品的顆粒粒度分布窄，且顆粒尺寸小，這說明摻雜有利于阻止,晶粒的長大，并使得樣品粒度分布均勻。,案例二：合成的非離子型水性環(huán)氧固化劑在室溫下乳化,EPON828,所得的乳液粒徑分布,由圖,可見，所得的乳液粒徑細(xì)小，均在,1 m,以下，表明其具有良好的乳化中低分子質(zhì)量液體環(huán)氧樹脂的功能，這與合成的非離子型水性環(huán)氧固化劑具有獨特的分子結(jié)構(gòu)分不開：含有與被乳化的液體環(huán)氧樹脂極相似的疏水鏈段，同時含有柔性高分子聚醚親水鏈段及多胺親水鏈段。,案例三：新型丙烯酸酯雜合乳液的粒徑分析,(a)HPAE,(b)PAH,HPAE 的平均粒徑為170 nm，分布范圍窄(多分散指數(shù)PDI=0 014);PAH 平均粒徑僅為93 nm，而且分布范圍更寬(PDI=0 113)，其可能原因是:由于PAH由負(fù)載2 種不同功能基團(tuán)(COOH和OH)的乳膠粒P1 和P2 組成，整個乳液體系呈現(xiàn)“大粒子中間摻雜小粒子”的狀態(tài)，導(dǎo)致乳液分布變寬，平均粒徑更小。,