本文采用沉降法對(duì)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的6種色料作了顆粒大小及分布的測(cè)定。自制了顆粒分析專(zhuān)用軟件，對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理并自動(dòng)繪制出顆粒分布的累積曲線。重點(diǎn)討論了分散劑用量﹑分散手段和操作方法等因素對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。
關(guān)鍵詞 顆粒分析，沉降法，陶瓷色釉料，分散體系，計(jì)算機(jī)專(zhuān)用軟件，系統(tǒng)誤差。
1 前言
色料的顆粒大小和粒徑分布直接影響到色料的呈色強(qiáng)度和呈色均勻性，因此它是生產(chǎn)廠家品質(zhì)管理中的一個(gè)主要參數(shù)，需進(jìn)行在線控制。
目前，顆粒分析的主要手段常用的有篩分法﹑重力沉降法和激光法三種。這三種方法都有其特定的最佳測(cè)試范圍。由于色料較細(xì)，只能采用后兩種方法。其中，激光法屬快速測(cè)定，測(cè)定精度也高，但激光顆粒分析儀較貴，國(guó)產(chǎn)的也要6～8萬(wàn)/臺(tái)，且測(cè)定較大顆粒和有色顆粒時(shí)，存在屏蔽效應(yīng)，從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性；而采用重力沉降法，裝置簡(jiǎn)單靈活，對(duì)于測(cè)定粒度1μm～40μm的粉體十分合適。只要色料在介質(zhì)中分散好，操作者經(jīng)一段時(shí)間摸索熟練后，測(cè)定數(shù)據(jù)也較準(zhǔn)確，完全能滿(mǎn)足生產(chǎn)控制的要求，不失為一種簡(jiǎn)便﹑實(shí)用的方法。且整套設(shè)備在800元左右，任何一個(gè)色料廠家都用得起。重力沉降法測(cè)定顆粒大小及分布的原理基于斯托克斯定律，它的結(jié)果取決于分散相的密度，分散介質(zhì)的密度﹑粘度和分散相的表面積等因素。它可由沉降速度和某一定位置小區(qū)域中的密度變化再通過(guò)計(jì)算得出，為了減少繁瑣計(jì)算和繪制顆粒分布曲線的麻煩，我們?cè)O(shè)計(jì)了專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)軟件，使用它再接上打印機(jī)，可以在幾分鐘內(nèi)將數(shù)據(jù)和分布曲線打印出來(lái)，從根本上解決了過(guò)去重力沉降法測(cè)試和數(shù)據(jù)處理費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)，從而可以滿(mǎn)足在線檢測(cè)的要求。其實(shí)作為在線控制主要是控制D90，D50，如果這樣的話就可以更省時(shí)了，通常作全過(guò)程也不會(huì)超過(guò)2小時(shí)。
一、 實(shí)驗(yàn)
取國(guó)內(nèi)某公司的色料6種，首先測(cè)定它們的真密度，如表1所示
表1 浸液法測(cè)定的6種色料的真密度
編號(hào)
試樣名稱(chēng)
品牌號(hào)
主要組成
礦物結(jié)構(gòu)
密度
1
鋯鐵紅
2D-322
Zr-Fe-Si
鋯英石
4．45
2
鋯鐠黃
2D-433
Zr-Pr-Si
鋯英石
4．73
3
鋯釩藍(lán)
2D-622A
Zr-V-Si
鋯英石
4．43
4
鈷藍(lán)
2D-632A
Al-Co-Zn
尖晶石
4．11
5
金棕
2D-215
Cr-Fe-Zn
尖晶石
4．07
6
無(wú)鈷艷黑
GC-10
Cr-Fe-Ni-Mn
尖晶石
4．92
1．1 激光顆粒分析
采用英國(guó)馬爾文激光顆粒分析儀測(cè)定了3號(hào)試樣鋯釩藍(lán)色料的顆粒大小及分布
1.2 自制的采用重力沉降法測(cè)定色料顆粒分布的裝置
1. 實(shí)驗(yàn)裝置和藥品，實(shí)驗(yàn)步驟
精密比重計(jì)（1.000-1.040）、1000ml量筒、溫度計(jì)、定位環(huán)、秒表（可持續(xù)計(jì)時(shí)達(dá)2個(gè)小時(shí)）、塑料薄膜、分散劑（焦磷酸納或六偏磷酸納）。
2. 試樣制備
將稱(chēng)量好的6種色料各50g，放入烘箱烘干，冷卻至室溫待測(cè)。
3. 實(shí)驗(yàn)方法
將所測(cè)色料倒入量筒中，加入蒸餾水，并不斷用玻璃棒攪拌。將制備好的分散劑水溶液全部轉(zhuǎn)移到量筒中并加水到1000ml刻度線。用塑料薄膜包住量筒口，并用繩扎緊。左右手握住量筒上下部，180度倒反50次，使懸濁液中的聚集顆粒分散開(kāi)，且分布均勻。將量筒塞口打開(kāi)，在保持量筒靜置狀態(tài)下（避開(kāi)太陽(yáng)直射和熱源），盡快插入比重計(jì),安上定位環(huán)開(kāi)始計(jì)時(shí)，從放好量筒（顆粒開(kāi)始沉降）到讀第一個(gè)數(shù)，間隔不超過(guò)30秒。按0.5分、1分、2分、4分、6分、8分、10分的間隔（根據(jù)沉降的快慢來(lái)確定）通常，細(xì)的色料在120~150分鐘內(nèi)測(cè)完，粗的色料則在20分鐘內(nèi)測(cè)完。
4. 計(jì)算公式和數(shù)據(jù)處理
公式（1）中的 為環(huán)境溫度下的水的粘度可查附表1，S為色料的真密度 ， 為環(huán)境溫度下水的密度可近似取1，公式（1）中對(duì)每一種測(cè)定的色料試樣，A是常數(shù)，L可根據(jù)精密比重計(jì)的讀數(shù)R再對(duì)照附表 2 查出，t 為秒表讀出的對(duì)應(yīng)時(shí)間，其中
的量綱為毫帕秒即厘泊，密度的量綱為 ，t的量綱為分，L 的量綱為厘米，即t 分鐘后比重計(jì)的沉降深度。 為色料的當(dāng)量直徑，量綱為微米。
公式（2）中P為累計(jì)百分率，即小于 尺寸的顆粒的累計(jì)百分含量。量筒中懸浮液中的總體積，即1000毫升。W為色料質(zhì)量（克），對(duì)每個(gè)待測(cè)定的色料試樣B也是一個(gè)常數(shù)。
5. 根據(jù) 和對(duì)應(yīng)的P畫(huà)出顆粒分布曲線（可由專(zhuān)用軟件通過(guò)打印機(jī)打出，也可人工作出），其中橫坐標(biāo)為采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為P。
二、 結(jié)果分析與討論
1. 3號(hào)試樣鋯釩藍(lán)的激光顆粒分析，如圖1所示
圖1 鋯釩藍(lán)的激光顆粒分析
由圖1可知鋯釩藍(lán)色料的平均粒徑D（0.5）=6.67 ,且顆粒分布曲線為正態(tài)分布。
表2 焦磷酸鈉為5g時(shí)2號(hào)試樣鋯鐠黃的實(shí)驗(yàn)結(jié)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 焦磷酸鈉為7g時(shí)2號(hào)試樣鋯鐠黃的實(shí)驗(yàn)結(jié)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試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（其表省略）
2. 6個(gè)試樣的顆粒分布曲線可由上表中的數(shù)據(jù)得出，經(jīng)整理后得出結(jié)果如圖2所示
圖2 6種試樣的顆粒分布曲線
曲線1—鋯鐵紅 D（0.5）=9.82
曲線2—鋯鐠黃 D（0.5）=7.96
曲線3—鋯釩藍(lán) D（0.5）=6.68
曲線4—鈷藍(lán) D（0.5）=4.82
曲線5—金棕 D（0.5）=6.40
曲線6—無(wú)鈷艷黑 D（0.5）=22.8
由圖2可知上述6種色料的平均粒徑，其中以鈷藍(lán)為最小，按照金棕、鋯釩藍(lán)、鋯鐠黃、鋯鐵紅、無(wú)鈷艷黑依次遞增。且各曲線的形狀也不同，反映它們顆粒分布上的差異。
對(duì)比圖1，圖2中鋯釩藍(lán)色料的平均粒徑幾乎相同，可見(jiàn)重力沉降法的測(cè)定結(jié)果是準(zhǔn)確的。
3. 測(cè)定系統(tǒng)誤差
沉降法測(cè)定的結(jié)果和懸浮介質(zhì)的粘度有關(guān)。因此，在測(cè)試過(guò)程中要記錄液體的溫度，而且要求在測(cè)試的過(guò)程中液體的溫度恒定。溫度的波動(dòng)會(huì)影響結(jié)果的重現(xiàn)性。該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生人為誤差的可能性較大。要求操作者能夠熟練操作，而且讀數(shù)要準(zhǔn)，特別是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，讀數(shù)變化快，所以動(dòng)作要快，讀數(shù)要準(zhǔn)。比重計(jì)的正確讀數(shù)應(yīng)按其彎月面的低線讀數(shù)，但因溶液渾濁看不清，可按接觸面讀數(shù)（如圖3所示），但此時(shí)要加0.001的校正系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要避免振動(dòng)，否則會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。可通過(guò)熟練操作使人為誤差減小到最低程度。
圖3 比重計(jì)正確讀數(shù)的圖例
4. 圖1為3號(hào)試樣鋯釩藍(lán)色料的顆粒分布曲線，圖2為6種色料的負(fù)累積顆粒分布曲線，雖然它們的表示方法不同，但是所表示的內(nèi)容是一致的。以平均粒徑為例：圖1中曲線的最高值即3號(hào)試樣鋯釩藍(lán)色料的平均粒徑D50=6.67 ,反映到圖2中，即P%=50時(shí)曲線3所對(duì)應(yīng)的粒徑（即平均粒徑D50=6.68 ）.
5. 顆粒分布曲線和顆粒累積分布曲線形式不同，但意義是一樣的，通過(guò)數(shù)學(xué)處理，兩者可以互相轉(zhuǎn)換。
三、 結(jié)論
1、 商品色料的種類(lèi)不同，其密度和顆粒大小及分布也不同，它們將直接影響到色料的呈色和呈色強(qiáng)度。因此，作為色料品質(zhì)的重要參數(shù)必須加以控制。
2、 該沉降法可以測(cè)定顆粒的范圍在2～44 ，而一般色料的平均粒徑在5 以上，故該方法可用于實(shí)際生產(chǎn)中的粒度分析。
3、 當(dāng)選擇正確的分散劑及分散劑的加入量時(shí)，得出的結(jié)果與激光粒度分析相比，誤差很小，可以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)顆粒分析所需的要求。只要操作正確仔細(xì)，該方法的重現(xiàn)性是很好的，故該方法是可靠的。
4、 該方法產(chǎn)生的人為誤差的可能性是存在的，故對(duì)操作人員的要求較高，可以通過(guò)熟練操作使人為誤差減小到最低程度。
5、 本研究編制了實(shí)用的數(shù)據(jù)處理軟件，可大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，并可和打印機(jī)連接，直接打印出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。
附表一 水的粘度與溫度的關(guān)系
溫度℃
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對(duì)應(yīng)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
