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陶瓷色料颗粒分布的测定研究

时间：2014-04-17 23:09:00 来源：龙泉青瓷网（老版本）作者：佚名

本文采用沉降法对国内某公司生产的6种色料作了颗粒大小及分布的测定。自制了颗粒分析专用软件，对测定数据进行计算机处理并自动绘制出颗粒分布的累积曲线。重点讨论了分散剂用量分散手段和操作方法等因素对结果准确性的影响。
　　
　　关键词颗粒分析，沉降法，陶瓷色釉料，分散体系，计算机专用软件，系统误差。
　　
　　 1 前言
　　
　　色料的颗粒大小和粒径分布直接影响到色料的呈色强度和呈色均匀性，因此它是生产厂家品质管理中的一个主要参数，需进行在线控制。
　　
　　目前，颗粒分析的主要手段常用的有筛分法重力沉降法和激光法三种。这三种方法都有其特定的最佳测试范围。由于色料较细，只能采用后两种方法。其中，激光法属快速测定，测定精度也高，但激光颗粒分析仪较贵，国产的也要6～8万/台，且测定较大颗粒和有色颗粒时，存在屏蔽效应，从而影响测试的准确性；而采用重力沉降法，装置简单灵活，对于测定粒度1μm～40μm的粉体十分合适。只要色料在介质中分散好，操作者经一段时间摸索熟练后，测定数据也较准确，完全能满足生产控制的要求，不失为一种简便实用的方法。且整套设备在800元左右，任何一个色料厂家都用得起。重力沉降法测定颗粒大小及分布的原理基于斯托克斯定律，它的结果取决于分散相的密度，分散介质的密度粘度和分散相的表面积等因素。它可由沉降速度和某一定位置小区域中的密度变化再通过计算得出，为了减少繁琐计算和绘制颗粒分布曲线的麻烦，我们设计了专用的计算机软件，使用它再接上打印机，可以在几分钟内将数据和分布曲线打印出来，从根本上解决了过去重力沉降法测试和数据处理费时的缺点，从而可以满足在线检测的要求。其实作为在线控制主要是控制D90，D50，如果这样的话就可以更省时了，通常作全过程也不会超过2小时。
　　
　　一、实验
　　
　　取国内某公司的色料6种，首先测定它们的真密度，如表1所示
　　
　　表1 浸液法测定的6种色料的真密度
　　
　　编号
　　试样名称
　　品牌号
　　主要组成
　　矿物结构
　　密度
　　
　　1
　　锆铁红
　　 2D-322
　　 Zr-Fe-Si
　　锆英石
　　 4．45
　　
　　2
　　锆镨黄
　　 2D-433
　　 Zr-Pr-Si
　　锆英石
　　 4．73
　　
　　3
　　锆钒蓝
　　 2D-622A
　　 Zr-V-Si
　　锆英石
　　 4．43
　　
　　4
　　钴蓝
　　 2D-632A
　　 Al-Co-Zn
　　尖晶石
　　 4．11
　　
　　5
　　金棕
　　 2D-215
　　 Cr-Fe-Zn
　　尖晶石
　　 4．07
　　
　　6
　　无钴艳黑
　　 GC-10
　　 Cr-Fe-Ni-Mn
　　尖晶石
　　 4．92
　　
　　
　　 1．1 激光颗粒分析
　　
　　采用英国马尔文激光颗粒分析仪测定了3号试样锆钒蓝色料的颗粒大小及分布
　　
　　 1.2 自制的采用重力沉降法测定色料颗粒分布的装置
　　
　　 1. 实验装置和药品，实验步骤
　　
　　精密比重计（1.000-1.040）、1000ml量筒、温度计、定位环、秒表（可持续计时达2个小时）、塑料薄膜、分散剂（焦磷酸纳或六偏磷酸纳）。
　　
　　 2. 试样制备
　　
　　将称量好的6种色料各50g，放入烘箱烘干，冷却至室温待测。
　　
　　 3. 实验方法
　　
　　将所测色料倒入量筒中，尤胝袅笏⒉欢嫌貌ＡО艚涟琛＝票负玫姆稚⒓了芤喝孔频搅客仓胁⒓铀?000ml刻度线。用塑料薄膜包住量筒口，并用绳扎紧。左右手握住量筒上下部，180度倒反50次，使悬浊液中的聚集颗粒分散开，且分布均匀。将量筒塞口打开，在保持量筒静置状态下（避开太阳直射和热源），尽快插入比重计,安上定位环开始计时，从放好量筒（颗粒开始沉降）到读第一个数，间隔不超过30秒。按0.5分、1分、2分、4分、6分、8分、10分的间隔（根据沉降的快慢来确定）通常，细的色料在120~150分钟内测完，粗的色料则在20分钟内测完。
　　
　　 4. 计算公式和数据处理
　　
　　公式（1）中的为环境温度下的水的粘度可查附表1，S为色料的真密度，为环境温度下水的密度可近似取1，公式（1）中对每一种测定的色料试样，A是常数，L可根据精密比重计的读数R再对照附表 2 查出，t 为秒表读出的对应时间，其中
　　的量纲为毫帕秒即厘泊，密度的量纲为，t的量纲为分，L 的量纲为厘米，即t 分钟后比重计的沉降深度。为色料的当量直径，量纲为微米。
　　
　　
　　
　　公式（2）中P为累计百分率，即小于尺寸的颗粒的累计百分含量。量筒中悬浮液中的总体积，即1000毫升。W为色料质量（克），对每个待测定的色料试样B也是一个常数。
　　
　　 5. 根据和对应的P画出颗粒分布曲线（可由专用软件通过打印机打出，也可人工作出），其中横坐标为采用对数坐标，纵坐标为P。
　　
　　二、结果分析与讨论
　　
　　 1. 3号试样锆钒蓝的激光颗粒分析，如图1所示
　　
　　
　　
　　图1 锆钒蓝的激光颗粒分析
　　
　　由图1可知锆钒蓝色料的平均粒径D（0.5）=6.67 ,且颗粒分布曲线为正态分布。
　　
　　表2 焦磷酸钠为5g时2号试样锆镨黄的实验结果
　　
　　t（分）
　　 R
　　 L
　　
　　 P%
　　
　　0．8
　　 1．0380
　　 8．50
　　 27．97
　　 95．99
　　
　　1．8
　　 1．0340
　　 9．30
　　 19．50
　　 85．88
　　
　　2．8
　　 1．0295
　　 10．27
　　 16．43
　　 74．52
　　
　　6．3
　　 1．0240
　　 11．38
　　 11．53
　　 60．62
　　
　　11．3
　　 1．0200
　　 12．20
　　 8．92
　　 50．52
　　
　　16．3
　　 1．0178
　　 12．64
　　 7．56
　　 44．96
　　
　　20．3
　　 1．0148
　　 13．83
　　 6．09
　　 37．38
　　
　　60．3
　　 1．0104
　　 14．19
　　 4．16
　　 26．27
　　
　　120．3
　　 1．0060
　　 15．10
　　 3．04
　　 15．16
　　
　　
　　表3 焦磷酸钠为7g时2号试样锆镨黄的实验结果
　　
　　t（分）
　　 R
　　 L
　　
　　 P%
　　
　　1．5
　　 1．0375
　　 8．60
　　 20．87
　　 94．73
　　
　　3
　　 1．0320
　　 9．73
　　 15．66
　　 88．83
　　
　　4
　　 1．0300
　　 10．17
　　 13．86
　　 75．78
　　
　　9
　　 1．0240
　　 11．38
　　 9．78
　　 60．62
　　
　　14
　　 1．0212
　　 11．96
　　 8．03
　　 53．55
　　
　　20
　　 1．0195
　　 12．30
　　 6．82
　　 49．26
　　
　　45
　　 1．0150
　　 13．20
　　 4．71
　　 37．89
　　
　　60
　　 1．0128
　　 13．65
　　 4．15
　　 32．33
　　
　　120
　　 1．0080
　　 14．70
　　 3．04
　　 20．21
　　
　　
　　同理可得出1，3，4，5，6试样的实验结果（其表省略）
　　
　　 2. 6个试样的颗粒分布曲线可由上表中的数据得出，经整理后得出结果如图2所示
　　
　　
　　
　　图2 6种试样的颗粒分布曲线
　　
　　曲线1―锆铁红 D（0.5）=9.82
　　
　　曲线2―锆镨黄 D（0.5）=7.96
　　
　　曲线3―锆钒蓝 D（0.5）=6.68
　　
　　曲线4―钴蓝 D（0.5）=4.82
　　
　　曲线5―金棕 D（0.5）=6.40
　　
　　曲线6―无钴艳黑 D（0.5）=22.8
　　
　　由图2可知上述6种色料的平均粒径，其中以钴蓝为最小，按照金棕、锆钒蓝、锆镨黄、锆铁红、无钴艳黑依次递增。且各曲线的形状也不同，反映它们颗粒分布上的差异。
　　
　　对比图1，图2中锆钒蓝色料的平均粒径几乎相同，可见重力沉降法的测定结果是准确的。
　　
　　 3. 测定系统误差
　　
　　沉降法测定的结果和悬浮介质的粘度有关。因此，在测试过程中要记录液体的温度，而且要求在测试的过程中液体的温度恒定。温度的波动会影响结果的重现性。该实验产生人为误差的可能性较大。要求操作者能够熟练操作，而且读数要准，特别是实验开始时，读数变化快，所以动作要快，读数要准。比重计的正确读数应按其弯月面的低线读数，但因溶液浑浊看不清，可按接触面读数（如图3所示），但此时要加0.001的校正系数。在实验过程中，要避免振动，否则会影响测试结果。可通过熟练操作使人为误差减小到最低程度。
　　
　　
　　
　　图3 比重计正确读数的图例
　　
　　 4. 图1为3号试样锆钒蓝色料的颗粒分布曲线，图2为6种色料的负累积颗粒分布曲线，虽然它们的表示方法不同，但是所表示的内容是一致的。以平均粒径为例：图1中曲线的最高值即3号试样锆钒蓝色料的平均粒径D50=6.67 ,反映到图2中，即P%=50时曲线3所对应的粒径（即平均粒径D50=6.68 ）.
　　
　　 5. 颗粒分布曲线和颗粒累积分布曲线形式不同，但意义是一样的，通过数学处理，两者可以互相转换。
　　
　　三、结论
　　
　　 1、商品色料的种类不同，其密度和颗粒大小及分布也不同，它们将直接影响到色料的呈色和呈色强度。因此，作为色料品质的重要参数必须加以控制。
　　
　　 2、该沉降法可以测定颗粒的范围在2～44 ，而一般色料的平均粒径在5 以上，故该方法可用于实际生产中的粒度分析。
　　
　　 3、当选择正确的分散剂及分散剂的加入量时，得出的结果与激光粒度分析相比，误差很小，可以满足工业生产对颗粒分析所需的要求。只要操作正确仔细，该方法的重现性是很好的，故该方法是可靠的。
　　
　　 4、该方法产生的人为误差的可能性是存在的，故对操作人员的要求较高，可以通过熟练操作使人为误差减小到最低程度。
　　
　　 5、本研究编制了实用的数据处理软件，可大大加快数据的处理速度，并可和打印机连接，直接打印出实验结果，满足用户的要求。
　　
　　附表一水的粘度与温度的关系
　　
　　温度℃
　　 0
　　 5
　　 10
　　 15
　　 20
　　 25
　　 30
　　 40
　　
　　粘度（厘泊）
　　 1.794
　　 1.520
　　 1.307
　　 1.138
　　 1.009
　　 0.890
　　 0.800
　　 0.654
　　
　　
　　附表二 R---L对应表
　　
　　R
　　 L
　　 R
　　 L
　　 R
　　 L
　　 R
　　 L
　　
　　1.040
　　 8.10
　　 1.030
　　 10.17
　　 1.020
　　 12.20
　　 1.010
　　 14.28
　　
　　1.039
　　 8.30
　　 1.029
　　 10.36
　　 1.019
　　 12.40
　　 1.009
　　 14.50
　　
　　1.038
　　 8.50
　　 1.028
　　 10.50
　　 1.018
　　 12.60
　　 1.008
　　 14.70
　　
　　1.037
　　 8.70
　　 1.027
　　 10.75
　　 1.017
　　 12.80
　　 1.007
　　 14.90
　　
　　1.036
　　 8.90
　　 1.026
　　 10.96
　　 1.016
　　 13.00
　　 1.006
　　 15.10
　　
　　1.035
　　 9.10
　　 1.025
　　 11.18
　　 1.015
　　 13.20
　　 1.005
　　 15.30
　　
　　1.034
　　 9.30
　　 1.024
　　 11.38
　　 1.014
　　 13.40
　　 1.004
　　 15.50
　　
　　1.033
　　 9.50
　　 1.023
　　 11.60
　　 1.013
　　 13.60
　　 1.003
　　 15.70
　　
　　1.032
　　 9.73
　　 1.022
　　 11.80
　　 1.012
　　 13.83
　　 1.002
　　 15.90
　　
　　1.031
　　 9.95
　　 1.021
　　 12.00
　　 1.011
　　 14.05
　　 1.001
　　 16.10
　　
　　
　　参考文献
　　
　　 1俞康泰，范明锋，陈龙等，沉降法测定色料颗粒分布的研究。中国陶瓷工业 2001， Vol.8(1)
　　
　　 2刘泽墉.粒度分析仪概述.94建筑卫生陶瓷学术年会，1994：45―48
　　
　　 3俞康泰.陶瓷色釉料与装饰导论.武汉工业大学出版社，1998：42―50
　　
　　 4伍洪标，武士德，陈文。无机非金属材料实验。武汉：武汉工业大学出版社，1999：47―48
　　
　　 5 Richard A. Epple. Ceramic colours. Am.Ceram. Soc.Bull，1986.56（3）：546―556

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