纳米粒度分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,纳米粒度分析,郑秀玉,一、基本原理,1、布朗运动,1827年植物学家布朗在用显微镜观察水中悬浮的极小的花粉微粒时，发现花粉微粒总是在不停地作无规则的运动。后来人们就把这种运动叫做布朗运动。,Stokes-Einstein,方程：,D：,扩散系数,其中，,d(H)：,颗粒粒径,(,流体力学直径,),；,k：,波兹曼常数；,T：,绝对温度；,h：,粘度；,d(H),=,kT,3,p h,D,颗粒越大，布朗运动速度越慢,温度越高，运动越快,粘度越大，运动越慢,布朗运动是指由于溶剂分子的轰击使颗粒作随机无规则的运动。,2、,光子相关光谱法（,PCS-Photon Correlation Spectroscopy）,光子相关光谱法（,PCS）：,测量悬浮液中做布朗运动的粒子数和粒径之间的关系。也称作动态光散射（,Dynamic Light Scattering,，,DLS,）。,纳米粒度分析仪测量的参数：,颗粒的平均粒径,粒径分布的宽度,在数据分析过程中假设颗粒都是各向同性的和球形的。,光源（激光）照射颗粒，颗粒散射光。,Screen,两个固定的颗粒、光束反向、散射光强度降低。,Screen,两个固定的颗粒、光束同向、散射光强度增加。,Screen,很多颗粒、很复杂的光强度模式。,Large Particles,Time,Intensity,作布朗运动的分散颗粒的散射光强度,I（t）,沿时间轴而起伏涨落，提供分散颗粒的运动信息。,光信号变化慢，布朗运动速度慢,，,颗粒大,光信号变化快，布朗运动速度快,，,颗粒小,信号改变平缓,：,信号变化慢，布朗运动慢，颗粒大；,信号改变陡,：,信号变化快，布朗运动快，颗粒小。,散射光强度的时间自相关函数,G,2,（）,：,本质上是时间差,的一个指数衰减函数。相关器能反映出光信号变化快慢情况。它是把前面的信号测完后先保存下来，后面信号与前面信号相比较。,相关器,：,能反映出光信号变化快慢情况。,样品是大颗粒的典型的相关关系图：,样品是小颗粒的典型的相关关系图：,大颗粒，中等分布宽度，存在非常大的颗粒,非常小的颗粒，中等分布宽度，不存在大颗粒,非常大的颗粒，高分布宽度，存在非常大的颗粒,光强度分布：,I,a,d,6,根据米氏理论，知道颗粒的折射率与吸光率：,体积与粒径的关系,数量与粒径的关系,光强度与粒径的关系,体积分布：,V,a,d,3,数量分布：,N,a,d,5nm,和,50nm,的球形颗粒、数量相同,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,仪器介绍,测量范围：0.6,nm6000nm,1、激光：使用固定波长为632.8,nm,的单色连续的氦氖激光作光源；,2、样品池；,3、光学系统和检测器,4、主光束截止器；,5、相关器；,6、计算单元,三、样品的制备和检查,（一）分散介质,样品应在液体介质中有良好的分散性。分散介质应满足下列要求：,无灰尘或污染的分散介质在仪器中不产生散射信号（或信号极低）。,a）,对激光波长应是透明（不吸收）的。,b）,与仪器所用的材料相容。,c）,样品颗粒在该液体介质中不溶解、不膨胀、不团聚。,d）,其折射率与颗粒的折射率不同。,e）,已知其折射率数及粘度，准确度应优于0.5%。,f）,应充分过滤。,（二）样品颗粒的浓度,（四）样品的折射率,颗粒散射光的产生是由于样品与分散介质具有不同的折射率。折射率的差异越大，样品发生散射的动力越大。,（三）样品的温度,给定样品准确的温度，计算出样品的粘度。,样品的温度必须稳定，温度改变会使样品池内产生对流从而使峰变宽。,（五）样品的吸光度,光通过样品后被吸收的程度。,（六）样品的制备,1、溶剂的净化,过滤（灰尘）、0.2,um,的一次性过滤器,金属离子的影响（水纯化系统来净化水）,2、样品池的清洁,3、溶液/悬浮液的制备,溶液/悬浮液的制备：,3、不要长时间贮存过滤水。细菌会在贮存水中生长，在测量中产生散射光线。,2、在制备样品的最后阶段，为了减少再次引入灰尘的机会，要将液体与空气的接触减到最少。只要可能，使用直接的连接，避免接触空气。,1、最重要的是用纯化的和经过滤的液体冲洗每件东西（包括样品池和盖子、稀释瓶和盖子、移液管或注射器、装缓冲液和表面活性剂的玻璃器皿）。用纯化的和经过滤的液体制备缓冲液和表面活性剂。,6、样品在稀释瓶中作间歇的超声波处理，每次大约持续10秒钟，再停顿几秒钟，共约2分钟。,5、一旦样品制备好后切勿剧烈振摇，否则溶液中会混入含有灰尘的空气。小得看不见的气泡比大量的所测试的颗粒将散射更多的光线。轻轻旋转是最好的方法。,4、若可能，避免将液体喷射入烧瓶或样品池中，让液体沿着清洁光滑的一面注入，这样可以减少再次引入灰尘。,溶液/悬浮液的制备,四、应用示例,案例一：,粒径分布分析,图为,值，掺杂量,（）（,）,条件下制备的,经热处理后样品的粒度分布曲线，可看出,样品的颗粒粒度分布窄，且颗粒尺寸小，这说明掺杂有利于阻止,晶粒的长大，并使得样品粒度分布均匀。,案例二：合成的非离子型水性环氧固化剂在室温下乳化,EPON828,所得的乳液粒径分布,由图,可见，所得的乳液粒径细小，均在,1 m,以下，表明其具有良好的乳化中低分子质量液体环氧树脂的功能，这与合成的非离子型水性环氧固化剂具有独特的分子结构分不开：含有与被乳化的液体环氧树脂极相似的疏水链段，同时含有柔性高分子聚醚亲水链段及多胺亲水链段。,案例三：新型丙烯酸酯杂合乳液的粒径分析,(a)HPAE,(b)PAH,HPAE 的平均粒径为170 nm，分布范围窄(多分散指数PDI=0 014);PAH 平均粒径仅为93 nm，而且分布范围更宽(PDI=0 113)，其可能原因是:由于PAH由负载2 种不同功能基团(COOH和OH)的乳胶粒P1 和P2 组成，整个乳液体系呈现“大粒子中间掺杂小粒子”的状态，导致乳液分布变宽，平均粒径更小。,