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歐美克儀器吳瑾:多組分粒度分布穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法探討

歐美克儀器吳瑾:多組分粒度分布穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法探討
歐美克  2025-04-09  |  閱讀:189

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吳瑾

珠海歐美克儀器有限公司應(yīng)用經(jīng)理,主要負(fù)責(zé)粒度檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用和技術(shù)支持工作。對(duì)于粒度粒形表征基礎(chǔ)理論、測(cè)量原理和應(yīng)用技術(shù)積累了豐富、深入的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),能夠從粉體質(zhì)量和行業(yè)要求等多個(gè)維度來分析顆粒檢測(cè)與表征,為客戶提供科學(xué)、獨(dú)到的解決方案。


引言


在粉體材料、制藥和納米技術(shù)領(lǐng)域,粒度多分散體系的穩(wěn)定性評(píng)估是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。在極端且典型的案例中,當(dāng)樣品中存在兩個(gè)離異組分(如體積比1:1)且D50位于粒度分布谷底時(shí),傳統(tǒng)基于單一中值粒徑的評(píng)估方法將面臨重大挑戰(zhàn)。本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比和理論分析,嘗試提出一套多維度的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系。


多分散樣品通常指樣品中顆粒的尺寸分布范圍較寬,且粒度分布曲線呈現(xiàn)非單一峰值的體系。與單分散體系(顆粒尺寸高度均勻,分布狹窄)相對(duì),多分散體系中的顆粒尺寸差異顯著,可能形成雙峰、多峰或連續(xù)寬分布。

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▲ 單分散

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▲ 多分散(多峰)

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▲ 多分散(連續(xù)寬分布)


圖1中,樣品粒度呈雙峰分布,即顆粒尺寸集中在兩個(gè)不同區(qū)間(0.7-15μm和15-200μm),且兩個(gè)組分體積相等(或接近),D50剛好在分布曲線谷底的位置。采用衍射法做粒度表征的時(shí)候,D50的重復(fù)性、重現(xiàn)性往往表現(xiàn)不好。

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▲ 圖1

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不做方法開發(fā)的特征值重復(fù)性表現(xiàn)如下,D50的RSD值高達(dá)28%


測(cè)量方法優(yōu)化


對(duì)于所有多分散樣品的粒度檢測(cè),首先需要做必要的方法學(xué)開發(fā),優(yōu)化取樣、分散和測(cè)量條件,以提高樣品制備的代表性(或一致性),降低測(cè)量誤差和數(shù)據(jù)處理算法的影響。


以下是此類樣品的測(cè)量方法要點(diǎn):


1

取樣前,樣品充分混勻,多點(diǎn)取樣

2

增加取樣量,遮光比控制在15~20%

3

延長測(cè)量采樣時(shí)間,從常規(guī)的5se提高至9~12se


現(xiàn)有方法的局限性分析


D50指標(biāo)失效機(jī)制  


在雙峰對(duì)稱分布中,D50處于谷底平臺(tái)區(qū),該區(qū)域具有顯著的非單調(diào)敏感性。當(dāng)峰位偏移3%時(shí),D50波動(dòng)可達(dá)15%。這種現(xiàn)象源于概率密度函數(shù)在該區(qū)間的低梯度特性,導(dǎo)致測(cè)量噪聲被幾何級(jí)數(shù)放大。


另外,即便D50相同,實(shí)際也可能是左邊峰變矮變寬,同時(shí)右邊峰變高變窄,導(dǎo)致產(chǎn)品性能差異。

重復(fù)性偏差來源


OMEC激光粒度儀LS-609對(duì)比測(cè)試顯示(n=20),同次取樣連續(xù)測(cè)量,雙峰體系D50的RSD值達(dá)4.5%,顯著高于單峰體系的0.2%。

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▲ 雙峰體系特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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▲ 單分散體系特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

偏差主要來源于: 

   - 進(jìn)樣分散的瞬時(shí)波動(dòng)  
   - 光散射模型的邊界條件敏感性  
   - 反演算法的局部收斂差異


多維評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建


評(píng)價(jià)雙峰體系的穩(wěn)定性,抓住“峰高、峰位、峰寬”三個(gè)關(guān)鍵要素,就能在復(fù)雜的粒度分布中建立可靠的質(zhì)量防線。


方法1:峰高比監(jiān)控法(適合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室)

操作步驟:

  1)用激光粒度儀測(cè)得分布曲線
  2) 標(biāo)出兩個(gè)峰頂位置(如2μm和80μm)
  3)計(jì)算兩峰高度比值:峰高比=左峰高度/右峰高度

合格標(biāo)準(zhǔn):

正常波動(dòng)范圍:(0.9-1.1)×標(biāo)準(zhǔn)峰高比

報(bào)警閾值:連續(xù)3次>1.2×標(biāo)準(zhǔn)峰高比或<0.8×標(biāo)準(zhǔn)峰高比


方法2:肩寬測(cè)量法(適合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室)

操作步驟:

  1)打印出粒度分布曲線
  2)用直尺測(cè)量?jī)煞逋鈧?cè)10%高度處的寬度(圖2)
  3)記錄左峰寬度(W1)和右峰寬度(W2)

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▲ 圖2

合格:W1和W2變化<15%

優(yōu)勢(shì):不需要復(fù)雜計(jì)算,技術(shù)人員5分鐘學(xué)會(huì)


方法3:雙參數(shù)對(duì)照法(中級(jí)實(shí)驗(yàn)室推薦)

監(jiān)控組合:

? 參數(shù)A:D10(小顆粒代表值)

? 參數(shù)B:D90(大顆粒代表值)


操作步驟:

1)收集至少30批合格樣品數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)D10和D90的基準(zhǔn)范圍

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2)繪制雙參數(shù)控制圖

   - X軸:D10(范圍:1.0-1.8μm)

   - Y軸:D90(范圍:90-116μm)

   - 畫出合格區(qū)域橢圓(圖3)

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3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)注

   - 合格點(diǎn):(綠色)

   - 預(yù)警點(diǎn):(黃色)

   - 超標(biāo)點(diǎn):(紅色)


異常判斷:

   - 數(shù)據(jù)點(diǎn)移出橢圓→體系失穩(wěn)

   - 沿對(duì)角線移動(dòng)→整體粒徑變化

   - 垂直/水平偏移→單一峰異常


方法4:動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)(DSI)(自動(dòng)化產(chǎn)線適用)

原理:

通過量化雙峰分布的形態(tài)變化,實(shí)時(shí)監(jiān)控體系穩(wěn)定性。其核心思想是:穩(wěn)定性 = 1 - 波動(dòng)率,通過計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)的偏離程度,動(dòng)態(tài)反映體系失控風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)算公式:

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操作步驟舉例:
  1)建立基準(zhǔn)參數(shù)
  2)安裝在線粒度儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
  3)當(dāng)DSI<0.4時(shí)自動(dòng)報(bào)警
  4)分級(jí)響應(yīng)策略


實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

條件設(shè)置:
   - 儀器:LS-609  
   - 樣品:氧化鋁/氫氧化鋁混合體系(1:1)  
   - 溫度:25±0.5℃  
   - 超聲分散:40kHz/50W,1min  

結(jié)果對(duì)比:

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據(jù)悉,采用了自適應(yīng)反演算法的AI粒度分析系統(tǒng)Mastersizer 3000+可大幅提高雙峰/多峰識(shí)別準(zhǔn)確率。


總之,通過融合多參數(shù)分析、動(dòng)態(tài)指數(shù)建模和人工智能技術(shù),可成功將雙峰體系的穩(wěn)定性評(píng)估精度提升3-4倍。該體系已在高性能陶瓷、鋰電漿料等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用,推動(dòng)行業(yè)質(zhì)量控制進(jìn)入智能化新階段。


結(jié)論:

粒度多分散樣品既是工業(yè)生產(chǎn)的常態(tài),也是技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。通過先進(jìn)表征技術(shù)、智能算法與標(biāo)準(zhǔn)化體系的協(xié)同創(chuàng)新,傳統(tǒng)質(zhì)量控制的瓶頸正在被突破。未來,隨著納米技術(shù)、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合,多分散體系的精準(zhǔn)調(diào)控將開啟材料科學(xué)的新紀(jì)元。


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