СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ МЕТОДОМ СЕДИМЕНТАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01N15/04 

Изобретение относится к области определения размера частиц порошковых материалов. Это может быть использовано в других областях, где требуется определение размера единичных твердых частиц.

При изготовлении смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ) наряду с крупными частицами находит применение ультрадисперсная фракция перхлората аммония (УДП) со средним размером частиц 2 и менее микрон. Эту фракцию получают методом мокрого помола в бисерных мельницах в присутствии в качестве мелющих тел шариков из высокопрочного стекла. Недостатком процесса измельчения с применением мелющих тел является их истирание и попадание в продукт в виде намола. Примеси намола как по количеству, так и по размерам оказывают отрицательное влияние на свойства СТРТ. Так, повышенное содержание намола приводит к снижению удельного импульса СТРТ. Кроме того, увеличенное содержание намола, особенно наличие крупных частиц его, повышают чувствительность СТРТ к механическим воздействиям и могут создать аварийную ситуацию при ведении технологического процесса по изготовлению зарядов из СТРТ. Для обеспечения требуемых характеристик СТРТ и безопасных условий изготовления зарядов в УДП ограничено содержание намола, не более 0,5%, и максимальный размер частиц намола, не более 70 мкм.

Существует множество методов определения размера твердых частиц [Ходаков Г. С. "Основные методы дисперсного анализа порошков", Москва, Стройиздат, 1968 г.; Коузов П.А., "Основы анализа дисперсного состава порошков", Ленинград, Химия, 1987 г.]. Большинство из известных методов основано на определении среднего размера частиц из их совокупности и распределения по размерам. Одним из недостатков их является то, что выделить и замерить размеры единичных, отдельно взятых частиц, не представляется возможным. Размеры единичных частиц могут быть определены, например, при применении микроскопов. Однако это процесс длителен и трудоемок.

Так, например, в отбираемой для анализа представительной пробе УДП массой 50 г при содержании намола 0,5% и среднем размере частиц 3 мкм общее их количество составит 7•10⁹ частиц. Обычно при определении гранулометрического состава под микроскопом принято считать около 1000 частиц. Таким образом, обсчет с охватом всех частиц может быть осуществлен за 10⁶ приемов. Следовательно, этот метод не приемлем для оперативного контроля и управления процессом измельчения при изготовлении УДП.

Наиболее близок по своей сущности предлагаемому изобретению способ седиментационного анализа по SU 1334072, принятый за прототип. По этому способу предложено условие для седиментационного анализа, что отношение разности плотностей жидкой и твердой фаз в суспензии к вязкости жидкой фазы должно быть равно отношению тех же параметров для дисперсионной жидкости. Недостатком этого способа является ограниченная возможность его для широкого применения, так как требуется подбор ингредиентов по пяти параметрам, что трудно осуществимо. При этом следует иметь в виду, как это требуется для седиментационного анализа, жидкие среды не должны растворять исследуемый материал. Без условия, предположенного по вышеуказанному способу, можно обойтись, если наносить суспензию исследуемого материала в тонком слое на поверхность дисперсионной жидкости.

Описанный метод может быть принят за основу при определении размера единичной частицы. Применительно к УДП и его суспензии необходимо выделить из них частицы намола. Для этого требуется подобрать растворитель для перхлората аммония. В качестве растворителя подобран диметилформамид (ДМФ). Как видно из нижеприведенных в табл. 1 данных, он имеет близкие физические свойства с дисперсионными средами, применяемыми в качестве суспензионной жидкости.

Технической задачей настоящего изобретения является создание упрощенного и ускоренного метода определения размера наиболее крупной частицы намола методом седиментационного анализа.

Техническое решение достигается за счет того, что пробу ультрадисперсной фракции перхлората аммония с частицами намола мелющих тел или ее в суспензии обрабатывают диметилформамидом в весовом соотношении 1: (5÷8), выделяют осадок намола, добавляют толуол, замеряют время осаждения наиболее крупной частицы намола через слой хлорбензола высотой от 50 до 150 мм и определяют диаметр частицы в микронах по формуле

l - высота слоя хлорбензола, см
t - время осаждения частицы намола, с.

Определение размера частиц намола необходимо производить в сухом УДП и суспензии его в хладоне-113 или в другой жидкости. Для выделения частиц намола должно быть обеспечено полное растворение частиц перхлората аммония. Экспериментально определено потребное минимальное количество диметилформамида (см. табл.2) для суспензии, содержащей 20% УДП в хладоне-113.

По приведенным в табл.2 данным минимально допустимое соотношение диметилформамида к УДП должно быть 5:1, что и составляет нижний предел. Чтобы обеспечить это соотношение, необходимо знание концентрации УДП в суспензии путем проведения анализа. По статистическим данным максимальное содержание УДП в суспензии составляет 32%. При постоянном количестве отбираемой пробы суспензии, рассчитанной исходя из 20% содержания УДП, как это принято на производстве, максимальное содержание УДП в суспензии будет в 32/20=1,6 раза больше. Следовательно, и количество вводимого для растворения диметилформамида будет в 1,6 раза больше и верхний предел в соотношении составит 5 х 1,6 = 8. Дальнейшее увеличение количества диметилформамида нецелесообразно, так как приводит к повышению его расхода.

Таким образом соотношение УДП и диметилформамида должно быть 1:(5÷8).

Как указывалось выше, в качестве суспензионной жидкости рекомендован толуол, в то время как после растворения УДП намол находится в растворе перхлората аммония в диметилформамиде. В связи с этим выделяют осадок намола и добавляют к нему толуол нижеописанным способом. В растворе УДП в диметилформамиде частицы намола легко осаждаются. Для уменьшения содержания раствора в намоле можно производить уплотнение его слоя путем отстаивания или центрифугирования в центробежной пробирке. После этого избыток раствора УДП в диметиформамиде удаляют декантацией так, чтобы не захватить частицы намола. Намол с остатком жидкости из центробежной пробирки переносят в мензурку или стакан, смывая осадок со стенок пробирки 30-50 мл толуола с вводом 0,05% лецитина в качестве ПАВ. Содержимое в мензурке или стакане перемешивают стеклянной палочкой и выдерживают в спокойном состоянии в течение 30-60 мин. до полного оседания частиц намола. После оседания намола жидкую среду сливают декантацией, оставляя в мензурке или стакане 10-20 мл намола с толуолом. После перемешивания всю суспензию намола в толуоле осторожно и быстро выливают на поверхность хлорбензола, содержащего 0,5-0,6% растворенного лецитина. Одновременно включают секундомер. При этом начинается оседание частиц намола в хлорбензоле. Фиксируют время осаждения первой частицы намола через слой хлорбензола заданной высоты.

По формуле Стокса при известных параметрах жидкой среды для конкретного вещества время осаждения будет зависеть от размера частиц. Такая зависимость позволяет при фиксировании времени осаждения отдельно взятой частицы с заданной высоты определить ее размер.

Имеющиеся статистические данные показывают, что максимальный размер частиц намола находится в пределах 30-105 мкм. Минимально допустимая высота дисперсионной жидкости определяется необходимостью обеспечения достаточной точности при замере времени осаждения. Для обеспечения необходимой точности время осаждения должно быть не менее 5 секунд.

Формула Стокса для определения размера частиц по диаметру Д
т.к.
где η - вязкость дисперсионной жидкости (хлорбензол), равная 0,008 гсм/с;
d - плотность намола, 2,6 г/см³;
d₁ - плотность дисперсионной жидкости (хлорбензола), 1,197 г/см³;
l - высота слоя дисперсионной жидкости, см;
q - ускорение силы тяжести, 980,7 см/с²;
t - время осаждения, с.

По указанной формуле определяют высоту дисперсионной жидкости, необходимой для прохождения частицы с диаметром 105 мкм в течение 5 с

Таким образом, минимальная высота дисперсионной жидкости должна быть 5 см или 50 мм.

Максимальная высота слоя ограничена необходимостью уменьшения продолжительности анализа и удобством в обслуживании. Приемлемой высотой слоя с точки зрения обслуживания является 150 мм.

По формуле Стокса определим время осаждения частицы намола диаметром 30 мм (минимально возможный диаметр наиболее крупной частицы) в слое жидкости высотой 150 мм

Таким образом, высота дисперсионной жидкости 150 мм приемлема для быстрого определения размера частицы намола.

Для обеспечения достаточной для практических целей погрешности размера частиц намола в пределах ±1 мкм следует проводить измерения при температуре в пределах 18-20^oС.

Таким образом для определения размера частицы намола замеряют время осаждения частицы намола через слой хлорбензола высотой, заданной в пределах от 50 до 150 мм. По формуле Стокса вычисляют диаметр частицы намола по формуле

Таким образом при известных постоянных параметрах вязкости η, плотностей d и d₁, ускорении силы тяжести q диаметр Д частицы намола в микронах определяют по формуле

где l - высота слоя хлорбензола, см;
t - время осаждения частицы намола, с.

Пример. При проведении анализа по "предлагаемому способу время осаждения первой частицы намола в слое хлорбензола высотой 150 мм получено 30 с при температуре 293 К (20^oС).

По формуле Стокса определим диаметр этой частицы

Таким образом, при этих условиях размер частицы намола будет 72 микрона.

Предлагаемый способ определения размера наиболее крупной частицы намола в ультрадисперсной фракции перхлората аммония прост в осуществлении и не требует сложных приборов.

Предлагаемый способ прошел испытания с положительными результатами в условиях Федерального Унитарного Государственного предприятия "Пермский завод им. С.М.Кирова".

Использование: для определения методом седиментации размера наиболее крупной частицы намола в ультрадисперсной фракции перхлората аммония (УДП) или в ее суспензии. Сущность: растворяют УДП в диметилформамиде при соотношении 1: (5÷8). Выделяют осадок намола, добавляют к нему толуол. Замеряют время осаждения наиболее крупной (первой) частицы намола через слой хлорбензола высотой 50 - 150 мм. Затем определяют диаметр частицы Д в микронах по формуле где l - высота слоя хлорбензола, см, t - время осаждения частицы намола, с. Технический результат изобретения заключается в упрощении и ускорении метода определения размера частиц. 2 табл.

Способ определения размера частиц методом седиментации, отличающийся тем, что пробу ультрадисперсной фракции перхлората аммония с частицами намола мелющих тел или ее в суспензии обрабатывают диметилформамидом в весовом соотношении 1: (5÷8), выделяют осадок намола, добавляют толуол, замеряют время осаждения наиболее крупной частицы намола через слой хлорбензола высотой 50 - 150 мм и определяют диаметр частицы Д в микронах по формуле

где l - высота слоя хлорбензола, см;
t - время осаждения частицы намола, с.