X 射线圆盘离心机——一种独特的粒度测量技术

摘要

圆盘离心机能够根据颗粒的大小和密度进行分离，是高分辨率粒度测量的理想方法。基于X射线的检测技术进一步简化了离心式仪器计算粒度分布的过程，无需进行光学校正和近似处理。该方法尤其适用于金属颗粒和金属氧化物，这些材料在工业中有广泛用途，但传统的光散射技术难以对其进行有效表征。

引言

圆盘离心机基于颗粒会根据大小和密度发生沉降的特性进行分离，是一种分级方法，可实现高分辨率的粒度测量。圆盘式离心沉降粒度仪（BI-DCP）和 X 射线圆盘式离心沉降粒度仪（BI-XDC）是两款基于这一原理的独特仪器，可进行高分辨率粒度测量。在这两款仪器中，不同大小颗粒在流体动力学差异的驱动下进行分离，同时通过朗伯-比尔定律对分布进行量化（体积加权、质量加权、数量加权等）。对于 BI-DCP，这种量化基于光学浊度，而对于 BI-XDC，检测基于颗粒在检测器前经过时对 X 射线的衰减。在悬浮颗粒通过检测器的过程中，沉降速率基于一组已知参数，包括颗粒密度、旋转液的密度和粘度、作用于颗粒上的离心力以及液面到检测器的距离。

与其他基于光散射的粒度测量技术相比，离心法没有诸如角度依赖性等实际偏差，并且可以在更高的浓度下进行测量。尽管使用了光源，但该技术本质上是基于测量材料通过旋转液所需的时间，这是一种成熟可靠的技术。详细的理论和原理说明见附录。

在本讨论中，我们使用 X 射线圆盘离心机技术展示了三个金属氧化物样品的数据。

• 氧化锌 ZnO
• 三氧化二铁 Fe(III)₂O₃
• 二氧化钛 TiO₂

为了确定每种材料类别最有效的测量技术，我们比较了三种工业上常用的金属氧化物。它们是：氧化锌、三氧化二铁和二氧化钛。它们各自以多种不同的商品名出售，并可通过多种方法制备，最终形成亚微米颗粒。除了离心法数据外，还展示了使用 DLS 方法（一种常见的亚微米颗粒粒度测量方法）的测量结果。

然而，这些材料的两个特性使得 DLS 技术不太适合：一是高密度，它会导致快速的重力沉降；二是高浊度，某些材料的外观近乎白垩状或几近不透明（除非稀释至极低浓度），不太适合 DLS 测量。金属氧化物是油漆和其他含颜料配方中的常见成分，这种浊度通常是不可避免的。二氧化钛和氧化锌通常用作多种常见配方类型中的着色剂或遮光剂：个人护理配方（如防晒霜、牙膏和面霜）以及工业配方（如商用油漆和颜料）。在这种情况下，它们散射或衰减可见光的能力正是用于改变产品外观的理想特性。这两种金属氧化物还能在一定程度上衰减紫外线，可用于提高涂料的抗紫外线降解能力，或者更直接地赋予乳液和面霜抗紫外线能力，就像防晒霜那样。最近的证据表明，二氧化钛微粒和纳米颗粒可能比氧化锌具有更大的毒性，因此在许多产品（如防晒霜）中需要用氧化锌替代二氧化钛。

相比之下，三氧化二铁主要用作生产其他材料的基础材料，也可直接用作颜料。虽然原料铁颗粒本质上是晶体，但当它们掺入钢铁中时，会呈现出多种特性。在大多数工业应用中，需要对初级颗粒的粒径进行表征，以确保最终合金具有所需的材料性能。

结果

用作比较的三种金属氧化物是TiO₂, ZnO,和Fe₂O₃。TiO₂ 和 ZnO 以 2%（w/v）的浓度分散于 0.1%（w/v）的焦磷酸钠（TSPP）溶液中，而 Fe₂O₃ 则分散于 0.1% 的 Triton X-100（TX100）——一种商用非离子表面活性剂中。

讨论

每个样品 DLS 的平均粒径都比 XDC 的测量结果大。为了进行更直接的比较，DLS 的结果从光强加权分布转换为体积加权分布。光散射本质上具有光强倾向，因此测量结果往往会倾向大颗粒或团聚体。Fe₂O₃ 的 DLS 粒度分布受到几个非常大且光学可分辨颗粒的显著影响，导致分布明显偏向较大粒度，而 BI-XDC 似乎能够有效分辨出这两种颗粒群。在 ZnO 中，这种情况则不那么明显，其中第二个群体导致原本较宽的分布呈现双峰分布。

结论

在 DLS 测量中，二氧化钛和氧化锌的粒径值都偏大。三氧化二铁在 DLS 测量中的粒径被严重高估，这表明从光散射获得的信号可能大部分来自团聚的颗粒。BI-XDC 能够轻松克服这一问题。与基于测量散射光的方法不同，X 射线检测对大颗粒没有倾向。由于离心法利用不同粒度颗粒的物理分离，因此具有更高的分辨率。

阅读圆盘离心机操作原理的附录了解更多信息。