Способ определения среднего размера частиц пигментов Советский патент 1985 года по МПК G01N15/12 

Изобретение относится к области оптики рассеивающих сред и может быть использовано для оперативного контроля дисперсного состава пигментов. Оперативный контроль дисперсного состава открывает пути значительного снижения расхода красок и дорогостоящих, часто дефицитных синтетических пигментов. Известен способ определения размеров частиц пигментов на основе процесса центрифугирования, в котором определяют временную зависимост в«са осажденных частиц, а затем по известной формуле производят расчет размеров частиц каждой фракции и средний их размер СО Основньм недостатком способа является значительная погрешность в определении размеров частиц. С умен шением размеров частиц резко возрастает время их движения в поле центробежных сил, в течение которог могут изменяться как угловая скорос вращения центрифуги, так и температура седиментационной жидкости, а следовательно, ее вязкость, величин которой входит в расчетную формулу. Этот способ невозможно использовать в поточном производстве пигмен тов, поскольку он пригоден для анализа лишь отдельных проб, а также значительно продолжителен процесс анализа во времени как при центрифугировании, так и при последующем расчете размеров во временной зависимости веса осажденных частиц. Известен метод спектральной прозрачности для определения функции распределения частиц по размерам C Указанный метод может быть применен к таким дисперсным средам, показатель преломления которых в исследуе мой спектральной области имеет постоянное значение. Следовательйо,для определения размеров частиц цветных пигментов, оптические постоянные , которых даже на небольшом участке спектра изменяются в широких пределах этот метод непригоден. Наиболее близким по технической сущности является способ определения среднего размера частиц, взвешенных в прозрачной среде, заключанмцийся в пропускании через взвесь монохроматического излучения на разных длинах волн, изменении спектральных показателей ослабления света . Цель изобретения - упрощение и уменьшение времени анадшза размеров частиц пигментов. Цель достигается тем, что в известном способе, основанном на пропускании через взвесь исследуемых частиц монохроматического излучения на разных длинах волн, измерении спектральных показателей ослабления света, определяют длину волны , при которой показатель ослабления имеет максимальное значение К,, а также длину волны 2, при которой показатель ослабления имеет минимальное значение, разбавляют взвесь до достижения однократного рассеяния света на частицах, определяют длину волны Л в спектральном интервале ±0,05 мкм, где рассеяние минимально, на этой длине волны определяют показатель ослабления К исходной взвеси и средний размер частиц наурдят по формуле: . р(А.с) , (1) 2Я ЧВ + .К,/К / где Л - длина волны излучения в среде;А,В,С - коэффициенты, принимающие следующие значения: А 14,52-40,31 ,305,03; С -0,58-0,95. Сущность изобретения заключается в следующем. Сведения о дисперсном составе многих веществ позволяют аппроксимировать распределение их частиц по размерам с помощью гаммараспределенияf( где а, г , jU - подгоночные параметры модели, определяющие концентрацию частиц, их наиболее вероятностный или модальный радиус и полуширину функции распределения. Переходя из числовой концентрации частиц N к объемной, имеем: (r4(r,A,t,x)()Jt J , cs) (,A,n,x)lr)dr .{r)y

Таким образом, показатель ослабления излучения полидисперсной системой частиц является функцией многих переменных, т.е.

к (г,М,;,п,х.) .

Сведения о микроструктуре больши ства органических пигментов, полученные с помощью электронной микроскопии и центрифугирования, а также результаты, полученные путем обработки микрофотографий фталоцианиновьк пигментов, показьшают, что применение гамма-распределения вполне обосновано и в этих случаях. При этом параметр микроструктуры изменяется в диапазоне 0,8 JLL i 3, модальный размер - в пределах 0,01 j г 0,2 мкм, что соответствует типичному диапазону изменения среднего параметра дифракции в видимой области спектра для большинства взвесей этих веществ в различных жидких средах 1,0 f f 4 В.

Анализ зависимостей величины К от f при фиксированных значениях показал, что в области

0,8 /и. величина Кпрактически нечувствительна к изменению параметра микроструктуры и в указанных вьше интервалах изменения г и |U. в основном определяется значением среднего радиуса частиц г ,

Таким образом, величину кпрактически можно считать функцией переменных п, ч , Л , Т . Учиты0вая соотношение для среднего параметра дифрации, приходим к вьшоду, что величина Кявляется функцией трех переменных, т.е. к f Cf, )5

- Проведенные исследования также показали, что в области значений п 1,5 - 2,5 и X 0,5 - 1,5 величина К имеет весьма слабую чувствительность к изменению оптических

0 постоянных п и X и практически является функцией лишь одного параметра-/ .

На фиг. 1 представлены зависимости величины к от среднего параметра дифракции f для различных значений п и х .

Значения п и К для кривых 1-11.

8

11

10

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТЩ ПИГМЕНТОВ, взвешенных в прозрачной среде, заключающийся в пропускании через взвесь монохроматического излучения на разных длинах волн, измерении спектральньк показателей ослабления света, отличающийся тем. что, с целью упрощения и уменьшения времени анализа, определяют длину волны . , при которой показатель ослабления имеет максимальное значение Кц , а также длину волны 2 , при которой показатель ослабления . имеет минимальное значение, разбавляют взвесь до достижения однократного рассеяния света на частицах, определяют длину волны Л в спектральном интервале Д ±0,05 мкм, где рассеяние минимально, на этой длине волны определяют показатель ослабления К исходной взвеси и средний размер г.частиц находят по формуле:. I А , - / А (Л Z- I j 17 где А,В,С, - коэффициенты, приниманнцие следующие значения; А 14,52 - 40,31; В 0,30 5,03; С « -0,58 0,95. 00 ел tsp СХ 00

При больших значениях h и х (кривые 1-4) функция К весьма слабо зависит от оптических постоянных вещества частиц. Для значений 1,1 « ,5йО, 0,5 проявляется существенная зависимость величины К от оптических постоянных вещества частиц (см. кривые 5 и 6). Одна ко в областях значений оптических постоянных 1,,1 и 0,,15 практически отсутствует зависимость параметра дифракции (кривые 7-1 Таким образом, как видно из фиг.1 значения показателя ослабления, с одной стороны, в области п 1,5 и ,5 (где проявляется слабая чувствительность показателя ослабления к к изменению оптических постоянных и высокая его чувствительность к ихизменению параметра дифракции р ) и, с другой стороны, в области 1,0 п 1,1 и 0,05. X 4 0,15 (где пока затель ослабления практически не зависит от параметра дифракции) можно использовать для определения среднего размера частиц. Отношение К /К. из указанных областей значений оптических постоянных однозначно определяет средний параметр дифракции р, На основании формулы (7) получаем, что величины К и К и экспериментально определяемые значения показателя ослабления связаны соотнсяпением: (8)- ;,. Таким образом, располагая двумя измеренными значениями показателя ослабления излучения в указанных об. ластях изменения оптических постеянных пигментов, можно однозначно определить их средний размер. Зависимость отношения от параметре дифракции можно аппроксимировать формулой видаS г , 8 к;JK Сэ) где А,В,С - эмпирические постоянные. Используя выведенные соотноше„и, ™ее« ,.Ju( „,,. Ь Предлагаемом способе всефизические величины, по которым опредеяется средний размер частиц, измерятся исключительно оптическим пето- дом, в этом состоит немаловажное п преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Другим преш ущестБом указанного способа является исключение концентрации частиц, что позволяет работать при любых концентрациях (при условии однократнохю рассеяния)j т.е, когд существует линейная зависимость показателл ослабленжэ излучения от Концентрации частиц. Итак, предлагаемый метод определ ния среднего размера частиц может быть npi-o-ieHeH к таким реальным объ там, частицы которых в исследуемой спе стральной области для одних дли волн имеют высокие значения п и jt для других - низкие; к таким объек там относятся цветные пигменты. Пример. Исследованы зелены и голубой фталоцианиновые пигменты лак рубиновый СК, пигмент желтьй прозрачный О, Вначале эксперимен тально определены оптические посто янные п и )( указанных пигментов в видимой области спектра 0,4 Лд 0/75 №см по измеренным спектраль ным зависимостям показателей ослаб ления и рассеяния. Функции распределения, Частиц пигментов по размерам находят путем обсчета большого числа микрофотографийS полученных методом электронной микроскопии. Для каждого образца пигмента обеспечивают около 1500-1700 изображений частиц и находят их средние размеры для ка;здого образца« Показатель ослабления К взвесей частиц калздого пигмента определяют базисным методом по формуле K--:-4- nT слоя взвеси; х оэффициент пропускания слоя. Показатель рассеяния излучения р суспензиями пигментов определяют после 3-4 кратного разбавления исходных суспензий иммерсионных средой, т.е. до достижения однократного рассеяния света на частицах, с помощью фотометрического шара по формуле: где ei (Фр„с+Фпрсш)/Фс; Фр«с,Ф„р««,. соответственно рассеянньй, прошедший и падающий на рассеивающую среду световые потоки. На фиг. 2 показаны спектральные зависимости показателей ослабления (кривая 12) и рассеяния (кривая 13); на фиг. 3 - спектральные зависимости показателей преломления (кривая 14) и поглощения (кривая 15) зеленого фталоцианинового пигмента относительно среды. Как видно на фиг. 2 и фиг. 3, минимум показателя рассеяния соответствует именной той области значений г их, где значения показателя ослабления не зависят от размеров частиц, т.е. .при Ао -0,57 мкм, п 1,1 и хгО,1 (см. фиг. 1). Максимальное значение показателя ослабления наблюдается при Ло 0,66 мкм (это соответствует длине волны в среде А- 0,66/,36} п 0,49 мкм), п 1,58 и х 0,79. Аналогичная зависимость характера и для голубого фталоцианинового пигмента. На фиг. 4 - спектральные зависимости показателей ослабления (кривая 16) и рассеяния (кривая 17). На фиг. 5 спектральные зависимости п() (кривая 18) и х(Л) (кривая 19). Минимум показателя рассеяния имеет место при ,52 мкм, при которой п 0,075 и X 0,075, максимум пока-. зателя ослабления - при ,62 мкм (зто соответствует длине волны в среде 7 0,62/1,36, п 0,46 мкм), п 2,0 и X 0,79. На фиг. 6 - спектральные зависимости показателей ослабления (кривые 20-22) и показателей рассеяния (20-22) для 0,1; 0,2 и 0,3 мкм. Расчет при этом выполнен по спектральным зависимостям оптических постоянных зеленого фталоцианинового пигмента (см. фиг. 3). Как видно из фиг. 6, минимальные значения показателей рассеяния наблюдаются при одной и той же длине волны Л 0,57 мкм. позтому указанная длина волны используется в качестве критерия при выборе второго значения показателя ослабления. Как видно из фиг. 2 и фиг. 4,дли-: ны волн, соответствующие минимальным значениям показателей рассеяния излучения, можно находить в интервале ±0,05 мкм (где - длина волны. соответствующая минимальному значе показателя ослабления излучения), т.е. проводить измерения показател рассеяния излучения в более узком спектральном интервале. Средние размеры частиц находят формуле (1). Значения коэффициентов А,В,С дл четырех наиболее часто используемы пигментов с учетом их оптических постоянных приведены в таблице. Пигмент Желтый прозрачный С 23,35 2,32 0,95 0,3 Лак рубиновый СК 40,31 5,08 0,45 0,3 Сравнение результатов определения среднего размера, полученных предлагаемым способом, с результатами метода электронной микроскопи показывает, что последний дает несколько завышеннью значения средни 88 размеров частиц. Например,. для зеленого пигмента найденное предлагаемым способом значение г,сО,143 мкм по методу электронной микроскопии равно О,16 мкм. Для голубого пигмента - 0,12 и 0,13 мкм cooTseTCTBeiHHo. Приведенное различие в результатах объясняется тем обстоятельством, что обсчет размеров частиц по их изображениям на микрофотографиях практически всегда приводит к несколько завышенным значениям г за счет дифракционного размытия изображения . Изобретение легко осуществимо технически и дает хорошую точность определения среднего размера частиц. Этот способ можно реализовать с помощью стандартного оборудования (например, спектрофотометра) практически в любой лаборатории и в цехе на потоке, позволяет производить контроль размеров ччстицпри отборе оптимального размера или изменить технологию производства пигментов с целью получения оптимального дисперсного состава. Использование предлагаемого способа в видимой области спектра в указанном интервале изменения параметров дифракции (} 1 - 8) позволяет охватить дигшазон изменений средних размеров частиц (0,060,96 мкм) большинства известных пигментов.

л,

20

/5

fO

7 7/ .

/ d

24

fsz

ft/f.f -гГ О,/,0.5 i Л 0,В Фus,Z f rSf

iA

г

,5 , «tf

. «4

.

вТ Фмг.5 Л/ OJ ,Mf(H л

г

-

1135288

Я ttxff

К

Л

20

15

Ю

0.60.6

0.4

0,7

Фиа.в