二硫化钼粒度分析稳定性影响因素研究*

杨舒程 ，赵增兵 ，陈 波 ，孟炳楠 ，成兰兴

（1.河南省化工研究所有限责任公司，河南 郑州 450052；2.洛阳申雨钼业有限责任公司，河南 栾川 470003）

MoS2是重要的固体润滑剂，特别适用于高温高压下，也被誉为“高级固体润滑油王”，适用条件广。MoS2可以分散在润滑脂、水等溶剂中，也可单独使用，也可与树脂调制成涂料作为各类金属部件、陶瓷材料的表面处理剂。MoS2作为高档固体润滑材料广泛应用于航空航天、核工业、食品工业、防腐工程、石油化工等高新技术领域。由于MoS2优异的润滑性能，国内外科研人员一直进行着新型MoS2的合成及应用研究[1,2]。MoS2的粒度是一项重要指标，粒度大小和粒度分布及颗粒形状对材料的性能或功能的发挥有很大影响[3]，粒度检测和控制是提升MoS2粉体产品质量非常重要的一环，但激光粒度测量方法受技术原理决定，测试结果易受测试方法和设备的影响[4]，正确选择粒度测试方法是其中的关键。

颗粒粒度测试方法有很多，目前，应用最广泛的是激光散射法，此方法有测量范围广（通常为0.1～3500μm）、速度快、再现性好、可在线测量等特点，对粒度控制有着十分重要的作用[5]。粒度仪市场上主要有马尔文、安捷伦、欧美克和百特等厂商[6]，针对马尔文仪器的研究分析较多，然而鲜有对欧美克激光粒度仪的研究。曾有学者就粒度性能评价方法探讨过欧美克激光粒度仪，文章指出对比国外进口仪器，欧美克激光粒度仪的结果更符合实际情况[7]。基于课题研究需求和研究条件，本文将以MoS2为样品，选择珠海欧美克仪器有限公司的TopSizer 激光粒度分析仪作为实验分析设备展开研究。

1 实验部分

1.1 环境条件

工作环境5～35℃，相对湿度低于85%RH。

1.2 仪器和材料

试验所采用的仪器为国产欧美克公司的Top－Sizer 激光粒度分析仪，测量范围为0.02～2000μm。

样品为洛阳栾川钼业集团股份有限公司提供的MoS2，其粒度大小处于仪器可测量范围内，去离子水和分散剂。

1.3 TopSizer 激光粒度测试原理

其测试原理为全量程米氏散射理论，利用颗粒对光的散射现象，根据散射光能的分布推算被测颗粒的粒度分布。当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射，根据Mie 散射理论，介质中微小颗粒对入射光的散射特性和散射颗粒的粒径及相对转折率、入射光的光强、波长、偏振度以及散射角有关。激光散射粒度仪通过对散射光的不同物理量进行测量与计算，从而得到粒径分布[1]。

TopSizer 激光粒度测试采用红蓝双光源设计，红光主光源为进口氦-氖激光器，波长0.6328μm；并有半导体蓝光辅助光源，波长0.466μm，极大地提高了对纳米级颗粒及少量大颗粒的分辨力。

图1 TopSizer 激光粒度分析仪光学系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the optical system of TopSizer laser particle size analyzer

1.4 试验方法

首先，连接仪器、计算机、进样器和打印机，打开仪器主机电源，预热30min。按说明书把仪器调至样品测试状态。采用湿法自动化测试进样方式，即将样品直接溶解到分散介质中测试。然后取一定量样品直接溶解于蒸馏水中，并加入适量分散剂，充分搅拌成一定浓度的悬浊液，测试时向搅拌池中逐次添加配置好的悬浊液直至遮光率满足试验条件。

试验结果以D50计，该指标表示样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%，因此,D50也叫中位径或中值粒径。

2 结果与分析

2.1 超声分散时间对MoS2 粒径的影响

粒度分析过程中可以使用超声波辅助分散，一般而言，超声分散时间越久，样品分散效果越好。而颗粒多次碰撞之后分散体系温度升高，分子的布朗运动剧烈，虽然极不常见但过多的超声波也会击碎的药物颗粒[8,9]。除了分离颗粒之外，超声波时间过久还可以增加颗粒间碰撞的速率，导致颗粒聚集，测试结果偏大。所以应测试超声波的持续时间对粒度分布的影响，将遮光率控制在10%～20%内，设定离心泵转速为1500r·min-1，分别设定超声时间为0、0.5、1、2、3、4、5min，测试对应的 D50数值，结果见图2。

图2 超声时间与D50 的关系示意图Fig.2 Schematic diagram of the relationship between ultrasound time and D50

由图2 可见，随时间的增长，聚集的颗粒逐渐被分散，D50呈上升趋势，于2min 以后趋于稳定，因此,可取最佳超声时间3min。

2.2 泵和搅拌速度对MoS2 粒径的影响

标配SCF-108A 循环进样器，采用专利的灯笼头下压式水流循环回路设计，配备大功率精确自动控制搅拌电机，最高可达3500r·min-1的同时减少了气泡和液体飞溅的产生，并具有高效的分散、清洗、排干能力。

激光粒度仪的循环泵和搅拌速度影响着样品的分散程度，所选择的条件应该能够在不引起夹带空气的情况下悬浮所有物质。将遮光率控制在10%～20%内，超声分散3min，其他条件不变的情况下，分别设置循环泵转速为 500、600、800、1000、1200、1600、2000、2400r·min-1，测定其对应 D50数值。

图3 显示了根据循环泵转速设置，样品D50数值的变化。

图3 转速与D50 的关系示意图Fig.3 Schematic diagram of the relationship between speed and D50

由图3 可以看出，搅拌速率在1000r·min-1以上时结果达到了稳定，在这一点上，所有的物质正确地悬浮和分散。搅拌速率在2000r·min-1以下时，样品沉降导致结果比预期小，而搅拌速率大于2000r·min-1时，可能是搅拌速度过高导致混入气泡使测试结果比预期大，所以最佳的循环泵转速为1000～2000r·min-1。

2.3 遮光率对MoS2 粒径的影响

遮光率指被颗粒散射和吸收掉的光占光总量的百分比，是激光粒度测试中用来表示悬浮液光学浓度的一个量。对于给定浓度范围内的大多数粒度分布，粒度应与浓度无关。遮光率的计算方法是原始光强I0与加入样品后探测器中心点的光强Ii的差除以I0再乘以100%得到。

遮光率=（I0-Ii）/I0×100%

一般遮光率的范围在10±5 之间。在实际粒度测试时，最佳遮光率是复散射和代表性之间的平衡点，即把复散射减到最小，才能保证样品的代表性。为了这个目的，遮光率的最佳范围与样品的粒度有关：粒度越大，遮光率越大；粒度越小，遮光率越小。为了便于实验操作，实验设定离心泵转速为1500r·min-1，超声分散3min，其他条件不变的情况下，启动循环系统，逐次向循环搅拌池内加入样品溶液，测试遮光率为 5%、10%、15%、20%、25%左右时 D50值，实验结果见图4。

图4 遮光率与D50 的关系示意图Fig.4 Schematic diagram of the relationship between shading rate and D50

由图4 可见，当遮光率低于20%时，随遮光率增大D50随之增大，当遮光率高于20%时，测得样品的D50随遮光率的增大而减小，当遮光率在10%～20%间时，D50呈稳定状态。由此可见适合的遮光率有利于保证测试的可靠性，遮光率太小可能导致样品代表性不够，遮光率太大可能导致重复散射，使测试结果变小。

2.4 重现性

重现性是指不同实验室不同仪器测定结果之间的精密度。在上述最佳实验条件下，取同一批次样品，分别采用欧美克TopSizer 激光粒度分析仪和马尔文Mastersizer 2000 激光粒度仪进行5 次重复测试，结果见表1。

表1 两台仪器分别测量同一样品D50 的5 次数据Tab.1 Two instruments respectively measure 5 times data of the same sample D50

相对标准偏差RSD 是标准偏差与平均值的比值，在分析方法验证中一般用于评价方法的精密度、重复性,当RSD 值越小时精密度越高、重复性越好。这里的相对标准偏差RSD 小于3%，显示重现性良好[10]。

3 结论

随着MoS2近些年的研究发展，粒度是其性能发挥的主要条件，准确检测其粒度显得尤为重要。本实验采用欧美克TopSizer 激光粒度仪分析，研究了当设置超声分散时间为3min、泵和搅拌速度为1000～2000r·min-1、遮光率 10%～20%时，仪器检测 MoS2颗粒粒度结果较准确，并用其它粒度分析仪对同一样品进行了比对分析，结果显示重现性良好。准确测量有助于进一步研究粒度与MoS2性质的关系，从而使其在各个领域得到更好的应用。