CN103792166B - 一种测量球形高氯酸铵粒度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量球形高氯酸铵粒度的方法，通过选择合适的加样方式，利用液体试剂乙酸丁酯在样品池中循环，以此携带着球形高氯酸铵在样品池中循环，激光再对循环中的球形高氯酸铵进行照射测量，从而得到其粒度结果。本发明测试流程自动化操作，显著降低人为干扰因素，使测试结果的重复性增强，测试结果准确。本发明还具有安全、可靠，测试效率高的特点。

Description

一种测量球形高氯酸铵粒度的方法

技术领域

本发明涉及粒度测量领域，具体是一种利用激光衍射法测量球形高氯酸铵粒度的分析方法。

背景技术

一般行业中使用的球形高氯酸铵具有不同规格，常见的有Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，它们的粒度范围大约在100-500μm之间，而激光粒度仪测试范围为0.02-2000μm，因此激光粒度仪完全可以测试球形高氯酸铵的粒度。球形高氯酸铵在固体推进剂的装药中占有70%左右，在推进剂的装药过程中对燃速以及推进剂的性能起着至关重要的作用，因此急需提高测试的准确性和精密度。

粒度测试的方法很多，据统计有上百种。目前常用的有沉降法、激光法、筛分法、图像法和电阻法五种，在生产和研究领域还常用显微镜法、电感应法(库尔特法)以及费氏法、刮板法、沉降瓶法、透气法、超声波法和动态光散射法等。航天行业传统上一直用筛分法来检测球形高氯酸铵的粒度，但是它只能测量一个或几个粒径点上的筛余量，不能给出详细的粒度分布，并且测试的时间很长，劳动强度大，精度低，并存在安全隐患。

激光粒度仪现在已成为世界上最流行的粒度测量仪器，由于它具有测量重现性好、准确度高、测量速度快、动态范围大、操作简便等显著优点，是一种直接、简单、安全、适用性广、操作工艺简单的分析方法，是目前最先进的颗粒测试仪器，也是未来粒度测试的方向，并且非常适合球形高氯酸铵的粒度测试使用。在使用了激光粒度仪控制颗粒粒度的企业和研究单位里，通过对粒度的检测造就了高质量的产品，成就了他们行业中的绝度优势，已经引起了行业的极大关注。测量环节致产品质量一直徘徊在行业低端状态，随着行业的不断发展，这部分企业或单位必然将被兼并或淘汰。激光粒度仪测量球形高氯酸铵势在必行，要充分运用激光粒度仪，通过对粒度的检测造就高质量的航天产品。目前，尚未检索到光衍射法测量球形高氯酸铵粒度分析技术研究的报道。

发明内容

为克服现有技术中存在的测试时间长，精度低，工艺落后，劳动强度大，存在安全隐患的不足，本发明提出了一种测量球形高氯酸铵粒度的方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，配制分散液。所述分散液由1.3g卵磷脂和500ml乙酸丁酯组成。将卵磷脂加入到乙酸丁酯中，超声波分散15min，得到分散液。

步骤2，对试样进行分散。从得到的分散液中取60ml均分后分别置于三个烧杯内。将所述三份Ⅰ类球形高氯酸铵试样分别放入所述分散液中。超声波分散3min。

步骤3，确定激光粒度仪的参数，所述激光粒度仪的参数包括试样的折光率和吸收率，乙酸丁酯的折光率，以及激光粒度仪的测量时长；所述试样的折光率为1.482，试样的吸收率为0.1；乙酸丁酯的折光率为1.395；激光粒度仪的测量时长为6s，背景时间6秒，遮光度范围为10%—20%；

步骤4，向激光粒度仪的进样器中加入100ml的乙酸丁酯。调整激光粒度仪的进样器搅拌器的速度为2300转/分钟。

步骤5，测背景；通过激光粒度仪对乙酸丁酯中的杂质的粒度进行测量，并记录；

步骤6，第一次测量。用吸管吸取烧杯里试样，烧杯静止倾斜30度，然后用吸管从试样的最底部进行吸取，往进样器里加样的时候将吸管中的试样一次加完，加完一吸管后再以同样的方法加下一吸管试样，直至将含有试样的第一份分散液全部加入激光粒度仪的进样器中，并使试样稳定20秒。当激光粒度仪的遮光度达到10%—20%时开始测试样品，所测量内容为试样的粒度d₄₃，测量结果保存在测试记录中。

得到第一份试样中的粒径和不同粒径的数量。

步骤7，测量其余各份试样。将进样器中的乙酸丁酯和含有试样的分散液排放出去。在所述进样器中加入100ml的乙酸丁酯。将其余各份试样加入到激光粒度仪的进样器中，并使试样稳定20秒。重复步骤6中所述测量过程，直至完成对所有试样的测试，得到各试样中的粒径和不同粒径的数量。

步骤8，对得到的数据进行处理。包括试样粒径的处理和不同粒径数量的处理，得到测试结果。将得到的测试结果用体积平均径d₄₃表示。所述体积平均径d₄₃表示该颗粒群颗粒的大小，单位为μm。

若试样的粒度分析结果满足指标要求，则表示该试样为合格品；反之，若粒度结果大于或者小于指标要求，则表示该试样为不合格品。并且，测试试样的平行性达到指标要求。

所述试样粒径的处理过程是：各探测器将投射到该探测器上的衍射光能线性的转换为电压。将电信号放大，进行A/D转换后，根据衍射光能分布分析出颗粒的粒度。

所述不同粒径数量的处理过程是：激光照射在颗粒上时将产生光衍射，光衍射的角度与颗粒的粒径成反比，而衍射光的强度随衍射角的增加呈对数衰减。衍射光强度的计算应用瑞利散射公式

$I=\frac{{24\mathrm{\π}}^3{\mathrm{NV}}^2(n_1^2-n_2^2)}{{\mathrm{\λ}}^4(n_1^2+n_2^2)}{I}_0$

式中，Ｎ为单位体积粒子数；Ｖ为单个粒子体积；λ为波长；n₁和n₂分别为颗粒状的分散相和分散介质的折光率；I₀为入射光强度。

根据瑞利散射定律测定了衍射光的强度Ｉ，即得到颗粒的直径d43。

由于采取了上述技术方案，本发明具有以下优点：

⑴对于球形高氯酸铵如何进行加样，尚未检索到相关信息。

本发明采用的加样方式操作简便易行，达到了粒度测试结果的平行性良好的效果，确保了测试的准确性。

本发明采用的加样方式是：用吸管吸取烧杯里试样，烧杯不要摇晃，让烧杯静止倾斜大约30度，然后用吸管从试样的最底部进行吸取，往进样器里加样的时候不能一滴一滴地加，必须一下子将吸管中的样加完，加完一吸管后再以同样的方法加下一吸管样，一直到用吸管将含有试样的第一份分散液全部加入激光粒度仪的进样器中。

表1加样方式与粒度结果的关系

从表1可见，本发明采用的加样方式可以取得粒度结果平行性良好的结果。

⑵确保安全性能

现在，对球形高氯酸铵进行粒度测试，筛析法是使用比较多的一种粒度测试方法，但是筛析法在测试的过程当中，测试人员在刷净每层筛子的时候，球形高氯酸铵的粉尘会四处漂落，较难保持清洁，测试现场脏乱，对眼、皮肤、粘膜和上呼吸道造成刺激和伤害。由于球形高氯酸铵是属于炸药中的一种，所以，电源插座和电器设备落上球形高氯酸铵粉尘后容易引起燃烧、爆炸。另外，筛析所用的八层筛子在测试振动的过程中，会有粉尘洒落在振筛机转动轴的部分，球形高氯酸铵的粉尘由于磨擦，容易引起燃烧、爆炸。

激光粒度仪测试球形高氯酸铵粒度是利用液体试剂乙酸丁酯在样品池中循环，以此携带着球形高氯酸铵在样品池中循环，激光再对循环中的球形高氯酸铵进行照射测量，从而得到其粒度结果。由于球形高氯酸铵在测试的过程中始终被液体试剂携带着，避免了测试当中产生粉尘引起的燃烧、爆炸，测试现场干净整洁。同时，液体试剂携带球形高氯酸铵在激光粒度仪的样品池中循环，也避免了球形高氯酸铵与电源接触或者由于机械磨擦引起的燃烧、爆炸，安全可靠。

⑶原理先进

筛析按颗粒大小用筛分级的方法，将已知重量的试样置于筛孔尺寸大小依次递减的一套筛子内，筛动一定时间后，试样按颗粒的大小分别留在各层筛上，分为若干级。但是它只有几层筛子，不能给出详细的粒度分布。

激光粒度仪的原理是颗粒在激光束照射下，会产生衍射，其衍射光的角度与颗粒的粒径相关，颗粒越大，其衍射光的角度越小，颗粒越小，其衍射光的角度越大，即不同的粒径的粒子所衍射的光会落在不同的位置，反过来说，衍射光的位置反映出粒径大小。通过适当的光路配置，同样大的粒子所衍射的光会落在同样的位置，所以叠加后衍射光的强度反映出粒子所占的相对多少，因此，只要能测出衍射光的位置信息及强度信息，就可以通过计算知道粒子的粒度，可以准确地给出包括所有大小不同的颗粒详细的粒度分布。

⑷影响因素

筛析受温度和湿度的影响较大，温度高、湿度大的时候进行筛析测试，其粒度结果会偏大；温度低、湿度小的时候进行测试，其粒度结果会偏小。并且，经过具有资质的计量部门检验合格的同样规格不同的筛子筛出来的料，其粒度结果会有很大的差异。

激光粒度仪准确性和重复性好，测试过程不受温度变化、介质黏度、试样密度等诸多因素的影响，只要将待测试样均匀地展现于激光束中，即可获得准确的测试结果。而且测试流程自动化操作，显著降低人为干扰因素，使测试结果的重复性增强。另外，激光粒度仪运用的是米氏理论，该理论是在任何情况下都能准确预测到所有物质的光衍射现象的理论。米氏理论下只要知道颗粒的一些特定信息就可以准确的预测颗粒的衍射方式，象颗粒的折光率和吸收率以及颗粒一些结特征就是比较重要的参数，每种大小的颗粒都有它自己的衍射方式，而非模拟的近似处理。对提高产品质量、降低能源消耗有着重要的意义。

以一个Ⅰ类球形高氯酸铵试样用三套不同的Ⅰ类套筛进行测量，每套筛子都对试样平行做三次测试，它们的粒度结果如表2：

表2三套不同的Ⅰ类套筛对球形高氯酸铵的粒度测量结果

测量次数	1#套筛d43（μm）	2#套筛d43（μm）	3#套筛d43（μm）
				第一次测量	324.6	332.2	350.2
第二次测量	322.8	331.5	348.6
				第三次测量	325.1	333.7	347.1
平均值	324.2	332.5	348.6
				极差值	2.3	2.2	3.1

另外再用激光粒度仪进行测量，将这批Ⅰ类球形高氯酸铵试样分成三份，每份试样平行测量三次，它们的粒度结果如表3：

表3Ⅰ类球形高氯酸铵用激光粒度仪测量粒度结果

测量次数	第一组d43（μm）	第二组d43（μm）	第三组d43（μm）
				第一份测量	401.8	401.6	401.7
第二份测量	400.9	401.3	402.4
				第三份测量	401.5	402.0	401.5
平均值	401.4	401.6	401.9
				极差值	0.9	0.7	0.9

从以上两表可见，同一规格但不同筛子所测量试样的粒度结果有很大的差异，说明筛析测量的粒度结果存在较大误差，而激光粒度仪测量的粒度结果具有良好的准确性和重复性。

⑸简单易用，自动测量，大大减少测试人员的工作量。

⑹筛析测量球形高氯酸铵除了将筛子固定在振筛机上振动15分钟外，其它步骤

都为手工操作，尤其是用毛刷将每层筛子里的试样要刷干净的步骤，需要耗费

测试人员较大的体力和精力。把筛子搬到振筛机上用卡子卡紧筛子，每卡紧一

次都要付出很大的力量，测试人员的工作强度大。

激光粒度仪测量球形高氯酸铵是采用标准操作程序SOP，SOP是测试人员将各项测量参数输入到SOP编辑器中保存，操作非常简单方便，启动SOP运行的时候，能自动定义测量程序，提示测试人员执行任务，SOP完全控制仪器，粒度仪自动测出粒度结果并且自动记录在计算机上。运用SOP可以常规测量同一类型的试样，避免了人为因素所造成的偏差。测量只需要将烧杯中分散好的试样加入到进样器中即可，非常轻巧，工作强度小，也大幅度地减少了测试人员的工作强度。

（6）测试迅速

根据GJB617A—2003，筛析测试球形高氯酸铵的时候，试样倒入筛内，加盖，固定在振筛机上振动15分钟，再加上混合试样、称样、刷净筛子、称量筛上物重量、数据处理等步骤，完成一个试样的测试需要35分钟，测试效率低。

在生产当中通常有一次性就要完成60个样品的粒度测试任务，采用筛析方法进行测试的时候，按照一天当中有两个生产班组连续测试，每天共计16小时，完成60个样品的测试需要2天，常常因为粒度结果不能及时反馈，拖延了生产的进度。

激光粒度仪每秒钟有1000测量快照，况且球形高氯酸铵是单模的，则其基本粒度特征可以用较少的快照捕获到，因此，测量时间为6秒。另外，用于试样分散的时间短，只需要3分钟。再加上混合试样、称样、加样、测量，激光粒度仪完成一个试样的测试需要7分钟。它的优势不仅仅是测量所需要的时间短，还在于在超声波分散仪的水槽中可以同时放入多个烧杯进行分散，这样就可以在3分钟的时间里完成多个试样的分散，又大大缩短了测试时间。采用多个烧杯同时分散的方法后，完成一个试样的测试时间缩至4分钟，测试效率进一步得到提高。使用激光粒度仪完成60个样品的粒度测试任务，仅仅需要5小时。

具体实施方式

本发明提出的各实施例是一种激光衍射法测量球形高氯酸铵粒度的方法。各实施例中所测试的球形高氯酸铵根据GJB617A-2003中关于高氯酸铵的分类，为Ⅰ类球形高氯酸铵、Ⅱ类球形高氯酸铵和Ⅲ类球形高氯酸铵的三种试样，每种试样各三份，即测试三次。并且三种试样中每份试样的用量依次分别为1.4g、1.0g和0.6g。

实施例1

本实施例是一种通过激光粒度仪用激光衍射法测量Ⅰ类球形高氯酸铵粒度的方法。所述激光粒度仪的技术参数见表4。

表4激光粒度仪的技术参数

本实施例的具体过程是：

步骤1，配制分散液。所述分散液由1.3g卵磷脂和500ml乙酸丁酯组成。将卵磷脂加入到乙酸丁酯中，采用德国的BANDELINSONOREXTK52超声波分散仪进行分散15min，使所述卵磷脂充分溶解，得到分散液。

步骤2，对试样进行分散。从得到的分散液中取60ml均分后分别置于三个烧杯内。将所述三份Ⅰ类球形高氯酸铵试样分别放入所述分散液中。采用德国的BANDELINSONOREXTK52超声波分散仪超声波分散3min。

步骤3，确定激光粒度仪的参数，建立标准操作程序SOP。向激光粒度仪中输入各项参数，所述参数包括：进样器类型为小样品进样器；试样的折光率为1.482，试样的吸收率为0.1；乙酸丁酯的折光率为1.395；模型为通用—常规灵敏度；测量时间为6秒，背景时间6秒；遮光度范围为10%—20%。

步骤4，向激光粒度仪的进样器中加入100ml的乙酸丁酯。调整激光粒度仪的进样器搅拌器的速度为2300转/分钟。

步骤5，测背景；通过激光粒度仪对乙酸丁酯中的杂质的粒度进行测量，并记录；

步骤4，向激光粒度仪的进样器中加入100ml的乙酸丁酯。调整激光粒度仪的进样器搅拌器的速度为2300转/分钟。

步骤5，点击“SOP”，SOP开始启动，粒度仪自动进行对光和测量背景。对光可以对激光粒度仪进行自动校准。测量背景通过激光粒度仪对乙酸丁酯中的杂质的粒度进行测量，并且记录最后自动从粒径结果中扣除。

步骤6，第一次测量。用吸管吸取烧杯里试样，烧杯静止倾斜30度，然后用吸管从试样的最底部进行吸取，往进样器里加样的时候将吸管中的试样一次加完，加完一吸管后再以同样的方法加下一吸管试样，直至将含有试样的第一份分散液全部加入激光粒度仪的进样器中，并使试样稳定20秒。当激光粒度仪的遮光度达到10%—20%时开始测试样品，所测量内容为试样的粒度d₄₃，测量结果保存在测试记录中。

得到第一份试样中的粒径和不同粒径的数量。

表5给出了所述球形高氯酸铵粒度测试参数。

表5球形高氯酸铵粒度测试参数

步骤7，测量其余各份试样。将进样器中的乙酸丁酯和含有试样的分散液排放出去，将乙酸丁酯倒入进样器中进行清洗。

测量其余各份试样。在所述样品池中加入100ml的乙酸丁酯。将其余各含有试样的分散液加入激光粒度仪的进样器中，并使试样稳定20秒。重复步骤6中所述测量过程，直至完成对所有试样的测试，得到各试样中的粒径和不同粒径的数量。

步骤8，对得到的数据进行处理。包括试样粒径的处理和不同粒径数量的处理。

激光束经显微物镜聚焦、针孔滤波和准直镜准直后，变成直径约为10mm的平行光束。该光束照射到待测颗粒上，就发生了衍射。衍射光经过傅立叶透镜后，照射到光电探测器阵列上。由于光电探测器处在傅立叶透镜的焦平面上，因此探测器上的任一点都对应于某一确定的衍射角。光电探测器阵列有一系列同心环带组成，每个环带是一个独立的探测器，能将投射到上面的衍射光能线性的转换为电压，然后输送给数据采集卡。该卡将电信号放大，在进行A/D转换后送人计算机，计算机根据衍射光能分布分析出颗粒的粒度。

激光照射在颗粒上时将产生光衍射，光衍射的角度与颗粒的直径成反比，而衍射光的强度随衍射角的增加呈对数衰减。衍射光强度的计算应用瑞利散射公式

$I=\frac{{24\mathrm{\π}}^3{\mathrm{NV}}^2(n_1^2-n_2^2)}{{\mathrm{\λ}}^4(n_1^2+n_2^2)}{I}_0$

式中，N为单位体积粒子数；Ｖ为单个粒子体积；λ为波长；n₁和n₂分别为颗粒状分散相和分散介质的折射率；I₀为入射光强度。

根据瑞利散射定律测定了衍射光的强度Ｉ，即得到颗粒的直径d₄₃。

将得到的测试结果用体积平均径d₄₃表示。所述粒度d₄₃是该颗粒群颗粒的大小，单位为μm。

步骤9，球形高氯酸铵粒度和标准偏差的分析结果

当激光粒度仪对试样测试完成后，粒度分析结果的表达形式为：体积平均径d₄₃。而粒度d₄₃通常用统计的方法来计算。颗粒群按照粒径大小可分为若干粒级，其中第i级的粒径为d_i，颗粒数为n_i，则粒度d₄₃用以下公式求得：

$d_{43}=\frac{\mathrm{\Σ}{n}_i{d_i}^4}{\mathrm{\Σ}{n}_i{d_i}^3}$

标准偏差δ的计算公式为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n-1}}$

表6球形高氯酸铵技术指标表

若试样的粒度分析结果和标准偏差都同时满足指标要求，则表示该试样为合格品；反之，若粒度结果和标准偏差都同时大于或者小于指标要求，则表示该试样为不合格品，并且，若粒度结果和标准偏差的其中一项大于或者小于指标要求，则都表示该试样为不合格品。

Claims (3)

1.一种测量球形高氯酸铵粒度的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，配制分散液：所述分散液由1.3g卵磷脂和500ml乙酸丁酯组成，将卵磷脂加入到乙酸丁酯中，超声波分散15min，得到分散液；

步骤2，对试样进行分散：从得到的分散液中取60ml均分后分别置于三个烧杯内；将三份Ⅰ类球形高氯酸铵试样分别放入所述分散液中；超声波分散3min；

步骤3，确定激光粒度仪的参数：所述激光粒度仪的参数包括试样的折光率和吸收率，乙酸丁酯的折光率，以及激光粒度仪的测量时长；所述试样的折光率为1.482，试样的吸收率为0.1；乙酸丁酯的折光率为1.395；激光粒度仪的测量时长为6s，背景时间6秒，遮光度范围为10％—20％；

步骤4，加入乙酸丁酯：向激光粒度仪的进样器中加入100ml的乙酸丁酯；调整激光粒度仪的进样搅拌器的速度为2000～2600转/分钟；

步骤5，测背景：通过激光粒度仪对乙酸丁酯中的杂质的粒度进行测量，并记录；

步骤6，第一次测量：用吸管吸取烧杯里试样，烧杯静止倾斜30度，然后用吸管从试样的最底部进行吸取，往进样器里加样的时候将吸管中的试样一次加完，加完一吸管后再以同样的方法加下一吸管试样，直至将含有试样的第一份分散液全部加入激光粒度仪的进样器中，并使试样稳定20秒；当激光粒度仪的遮光度达到10％—20％时开始测试样品，所测量内容为试样的粒度d43，测量结果保存在测试记录中；得到第一份试样中的粒径和不同粒径的数量；

步骤7，测量其余各份试样：将样品池中的乙酸丁酯和含有试样的分散液去除；在所述样品池中加入100ml的乙酸丁酯；将其余各份试样加入到激光粒度仪的样品池中，并使试样稳定20s；重复步骤6中所述测量过程，直至完成对所有试样的测试，得到各试样中的粒径和不同粒径的数量；

步骤8，对得到的数据进行处理：包括试样粒径的处理和不同粒径数量的处理，得到测试结果；将得到的测试结果用体积平均径d₄₃表示；所述体积平均径d₄₃表示该颗粒群颗粒的大小，单位为um；

若试样的粒度分析结果满足指标要求，则表示该试样为合格品；反之，若粒度结果大于或者小于指标要求，则表示该试样为不合格品；并且，测试试样的平行性达到指标要求。

2.如权利要求1所述测量球形高氯酸铵粒度的方法，其特征在于，所述试样粒径的处理过程是：各探测器将投射到该探测器上的衍射光能线性的转换为电压；将电信号放大，进行A/D转换后，根据衍射光能分布分析出颗粒的粒度。

3.如权利要求1所述测量球形高氯酸铵粒度的方法，其特征在于，

所述不同粒径数量的处理过程是：

激光照射在颗粒上时将产生光衍射，光衍射的角度与颗粒的直径成反比，而衍射光的强度随衍射角的增加呈对数衰减；衍射光强度的计算应用瑞利散射公式

$I=\frac{24{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{NV}}^2(n_1^2-n_Z^2)}{{\mathrm{\λ}}^4(n_1^2+n_2^2)}{I}_0$

式中，N为单位体积粒子数；V为单个粒子体积；λ为波长；n₁和n₂分别为颗粒状的分散相和分散介质的折光率；I₀为入射光强度；

根据瑞利散射定律测定了衍射光的强度I，即可得到颗粒的直径d₄₃。