激光粒度仪测定锰酸锂粒度的条件试验

于晓微，付春明，张晓波，张春丽

（中海油天津化工研究设计院，天津300131）

激光粒度仪作为测量粉体粒度大小的仪器具有测试速度快、重复性好、准确性好、操作简便的特点［1］。其工作原理是根据光的散射这一物理现象测试样品的粒度分布，颗粒越大产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小产生的散射光的θ角就越大。这样，在不同的角度上测量散射光的强度就可以得到样品的粒度分布。锰酸锂（LiMn2O4）由于具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点成为理想的动力电池正极材料，而锰酸锂颗粒粒度的大小直接影响其电化学性能，因此粒度的测定在锰酸锂的研制中是非常重要的一个环节。笔者应用马尔文激光粒度仪（MS2000），从遮光度、搅拌泵转速、超声强度以及超声时间等几个方面，对锰酸锂样品粒度的测定条件进行考察试验，分析了这几个因素对锰酸锂样品粒度测定的影响，选择了一个合适的测定条件。

1 实验部分

1.1 实验仪器及原料

MS2000型马尔文激光粒度仪。锰酸锂样品，由中海油天津化工研究设计院研制。

1.2 实验方法

采用马尔文激光粒度仪的湿法粒度测量［2］中的手动方式，选择好样品的光学特性参数，输入样品名称等信息，然后设定分散条件：搅拌泵的转速、超声强度及时间等。先用一次去离子水进行背景测量，然后依据提示加入样品：称取混合均匀的试样约0.5 g置于50 mL小烧杯中，加入10～20 mL一次去离子水进行预分散，搅拌均匀后转入装有800 mL一次去离子水的1 L样品槽中至合适的遮光度后进行样品测量，系统自动完成结果计算并保存计算结果。

2 实验结果分析

2.1 遮光度对粒度测定的影响

根据锰酸锂的性质，进行粒度测量时分散介质为一次去离子水即可，且不需要加入添加剂。笔者另外从遮光度、搅拌泵转速、超声强度及超声时间几个方面进行测量条件试验。

遮光度是表示分散介质中所含样品数量多少的一种度量。激光法测量粒度时，悬浮液中颗粒浓度太高，颗粒数目太多，经激光照射后易发生多重散射，导致测试结果偏小；也可能使颗粒间碰撞机会增大，发生团聚，导致测试结果偏大。反之悬浮液中颗粒浓度太低，虽然复散射现象得到缓解，但信噪比下降，缺乏代表性。所以在粒度分布测量过程中要选择合适的遮光度。

马尔文激光粒度仪推荐室温最佳遮光率在10%～15%，而锰酸锂样品为黑色粉末，粒度比较小，当遮光度比较大时，系统中循环的样品量比较多，系统的清洗费时费力。在对几组样品在不同遮光度条件下进行测量时（见表1）发现，当遮光度为3%、5%、10%时其 d（0.5）基本一致，RSD 均小于 1，符合测量的误差要求。综合考虑样品的代表性及系统中循环的样品量，在测量中选择遮光度为5%左右。

表1 遮光度对样品粒度测定的影响

2.2 搅拌泵转速对粒度测定的影响

采用湿法分散技术分散样品。将样品加入到分散介质中后，系统通过机械泵的搅拌使样品分散开，然后在系统中进行循环。在粒度测定时，如果泵转速太大，中心会形成漩涡，容易搅进气泡从而影响测定结果，另外泵速高也有可能引起样品产生新的团聚，造成测量结果不准确；如果泵转速太小，大颗粒样品容易沉在样品池的底部无法进入到检测池中，使测试结果偏小，也可能由于样品分散不充分，使测量结果偏大。

取几组样品分别在搅拌泵转速为1 800、2 100、2 400、2 700 r/min条件下进行测量，测量结果如表2所示。由表2可知：搅拌泵转速在较大范围内对锰酸锂的粒径分布影响不大。但从d（0.5）可以看出：泵速为2 400 r/min条件下测得的粒径比较小，样品分散效果好。

表2 搅拌泵转速对样品粒径测定的影响

2.3 超声强度和超声时间对粒度测定的影响

由于大多数颗粒样品中含有团粒或凝聚，而激光衍射技术不能分辨单颗粒和由单颗粒聚集成的团粒这两者产生的散射，因此在测量前通常要将试样分散成原始颗粒。而利用超声波可以更好地帮助分散样品［3］。

对于锰酸锂样品，通过超声使样品尽快分散开，可以避免样品长时间停留在检测系统中。在不超声及分别超声1、2、3 min条件下对样品进行粒度测量，从测量结果看出RSD均小于3%，测量结果没有显著变化（见表3）。而设置超声强度为3.00、5.00、8.00、11.00分别进行1 min超声，样品粒度测量结果亦变化不大（见图1）。但通过分析d（0.5）可以看出，超声后的结果较未超声有降低的趋势。为了达到更好的分散效果，同时缩短测量时间，选择超声强度8.00、超声时间1 min为测量条件。

表3 超声时间对样品粒径测定的影响

图1 超声强度对样品粒径测定的影响

2.4 数据重复性

采用遮光度为5%、超声强度为8.00、超声时间为1 min、搅拌泵转速为2 400 r/min的测量条件对2种不同粒度的样品进行测量，5次测定d（0.5）结果如表4所示。由表4可以看出，其RSD均小于1%，说明重复性很好，也证明了方法的可靠性。

表4 重复性实验数据

3 结论

经过对各种测试条件的测量结果以及对不同粒度范围的实验物料的综合考虑，选择采用一次去离子水为分散剂、加入样品超声1 min、超声强度为8.00、搅拌泵转速为2 400 r/min、遮光度为5%的测试条件进行粒度测量。通过重复性实验可以看出，在此条件下用马尔文激光粒度仪测量电池正极材料锰酸锂的粒度数据重复性好，数据可信，方法可行。

［1］王惠玲.超细粉体粒度测试方法浅析［J］.无机盐工业，2004，36（4）：49-51.

［2］杨道媛，马成良，孙宏魏，等.马尔文激光粒度分析仪粒度检测方法及其优化研究［J］.中国粉体技术，2002，8（5）：27-30.

［3］张天壤，张雪梅，于海斌.激光粒度仪测定超细氧化铝粉体粒度的研究［J］.无机盐工业，2009，41（2）：30-32.