浅析激光粒度仪测量钛白粉粒径的不确定度评定

文/吴燕俊，姜金波

镇江泛华检测科技有限公司

摘要：激光粒度仪是粒径测试常见方法，微米级粒径测试再现性差，不确定度也大;文章科学合理的评定了激光粒度仪粒径测试的不确定度，为粒径的不确定度评定提供了新的思路;文章从激光粒度仪的准确性和精密度入手，结合仪器自身的不确定度和系统偏差，进行不确定度的评定。本文计算了钛白粉R－1的中值径D₅₀的不确定度，钛白粉R－1的中值径D₅₀测试结果为0.308μm，计算得到中值径D₅₀的扩展不确定度U=0.024μm，最终D₅₀测试值为(0.308±0.024)μm。

关键词：激光粒度仪;粒径;不确定度

Discussionon Evaluation of Uncertainty in Measurement of Titanium

DioxideParticle Size by Laser Particle Sizer

WU Yan－jun，JIANG Jin－bo

( Zhenjiang Fanhua Detection Technology Co. ，Ltd. ，Jiangsu Zhenjiang212000，China)

Abstract: The laser particle size analyzer is a common method for particle size measurement. The reproducibility of micron particle size measurement is poor and the uncertainty is also high. The uncertainty of particle size measurement by laser particle size analyzer was scientifically and reasonably evaluated，which provided a new idea for the uncertainty evaluation of particle size. The evaluation of uncertainty included accuracy，precision，uncertainty of instrument itself and system deviation. The D50 of titanium dioxide R－1 was measured，the median diameter was 0.308μm，the expanded

uncertainty of the median diameter was 0.024μm，and the D50 was ( 0.308±0. 024) μm.

Key words: laser particle sizer; particle size; uncertainty

0 前言

钛白粉作为一种具有广泛用途的颜料，生产工艺复杂，从原材料矿石的破碎开始，经过黑段、白段、煅烧、表面处理，一步步纯化，最终经过表面处理生产出来;目前，国内大多使用硫酸法的生产工艺，硫酸法的生产工艺，设备、工艺复杂，国外很多企业使用氯化法的生产工艺，氯化法设备简单，工艺流程相对较短，钛白粉的粒径及生产工艺(包膜处理、研磨时间、煅烧)与用户的使用要求密切相关，无论是硫酸法，还是氯化法，粒径都是工艺生产或质量控制的关键指标[2]，由此，可以看出，钛白粉的粒径测试准确度和精密度是至关重要的^[2]。

实验室粒径测试依据GB/T19077－2016:粒度分布激光衍射法^[1]，文章依据标准测试，并进行了不确定度的评定，不确定度的评定依据标准JJF1059－2012:测量不确定度评定与表示^[3];激光粒度仪测试粒径受多方面因素的干扰，比如:制样过程，分散过程，仪器测试过程等，这也给不确定度的评定带来很多困难，本文主要考虑了4个分量，即精密度u(rep)、准确度u(D_50，标)、系统偏差u(system)及仪器u(仪器)，其中u(仪器)和系统偏差u(system)是从激光粒度仪本身出发确定测试误差，u(rep)和u(_D50，标)是从测试方法出发考虑测试误差，给仪器测量不确定度的评定提供了新的思路^[4-7]。

1 实验

1.1 主要仪器与试剂

分析天平，梅特勒－托利多国际贸易(上海)有限公司;Bettersize3000激光粒度仪，丹东百特仪器有限公司;超声波清洗机，上海煜南仪器有限公司。

十二烷基苯磺酸钠，上海信帆生物科技有限公司;粒径标准物质GBW(E)120037，北京盈泽纳新化工技术研究院;钛白粉R－1，江苏泛华化学科技有限公司。

1.2 实验方法描述

分析天平称取0.8g分散剂十二烷基苯磺酸钠，加入到50mL烧杯中，加蒸馏水40mL，溶解至透明，加入0.20g钛白粉R－1，放到KC－20A洁康超声波清洗机中，超声10min，用滴管滴加分散好的钛白粉悬浊液，然后用Bettersize3000激光粒度仪进行测试，钛白粉悬浊液的加量依据遮光度的大小而定，遮光度控制在6%左右，连续测试3次，取3次平均值为钛白粉R－1的测得值;粒径标准物质GBW(E)120037测试方法同钛白粉R－1的测试过程，钛白粉R－1及粒径标准物质GBW(E)120037的测试结果见表1和表2。

2 不确定影响因素的分析

2.1 数学模型

D_样品=D_仪器

式中:D_样品为被测样品粒度;D_仪器为测量仪器示值。

2.2 不确定度来源的分析

粒径测试结果由激光粒度仪直接测得，其测试误差来自于仪器测试的准确性、精密度和仪器自身，同时考虑了仪器是否存在系统误差。绘制粒径测试的不确定度分量的因果图，见图1。

(1)精密度引入的不确定度:精密度引起的误差通过贝赛尔公式计算得到。

(2)准确性引入的不确定度:仪器测试的准确性通过外标，即标准物质衡量，采用B类不确定度的评定方法。

(3)系统误差引入的不确定度:在粒度的检测过程中可能存在固定的误差，一般由仪器本身导致。

(4)仪器引入的不确定度:传感器和光学镜片等仪器配件在粒径测试过程中带来的误差。

2.3 不确定度分量的计算

2.3.1 方法精密度引入的不确定u_rel(rep)

依据1.2描述的实验方法，制备粒度测试的样品钛白粉R－1一共6份，测试钛白粉R－1的中值径D₅₀及标准偏差，数据结果见表1。u_rel(rep)的计算如下:

2.3.2 准确性引入的不确定度urel(_D50，标)

标准物质GBW(E)120037的D₅₀为0.83μm，扩展不确定度U=0.06μm，k=2，则u=U/k=0.03μm，因此u_rel(D_50，标)=u/D₅₀=0.036。

2.3.3 系统误差引入的不确定度u_rel(system)

首先判断是否对测试结果进行必要的修正，粒度的标准物质GBW(E)120037(_D50)中值径标准值为0.83μm)，连续测试标准物质6次的数据见表2。

计算出标准样品的测试值和标准值的差，(D₅₀－ω)=0.001，其中D₅₀

为标样的标准值，取95%置信区间，t0.95(5)=2.571，计算U2+（t0.95·s√6) =0.0088，比较数据，因为(D₅₀－ω)＜U²+（t0.95·s/√6)  ^1/2因此，没有必要对数据进行修正，忽略系统误差引入的不确定度，即urel(system)=0。

2.3.4 仪器引入的不确定度u_rel(仪器)

查得仪器校准证书可知U_rel=2%，k=2，因此相对不确定度u_rel(仪器)=U_rel/(K×ω)=0.01。

3 合成标准不确定度的评定

钛白粉R－1的ω=0.308μm，因此，可以得到u_c(D₅₀)=ω×u_crel(D₅₀)=0.012μm。

4 扩展不确定度的评定

置信水平为95%时，包含因子k=2，则钛白粉R－1中值径D50的扩展不确定度U=k*U_c(D₅₀)=0.024μm。所以，钛白粉R－1中值径D₅₀的值为(0.308±0.024)μm。

参考文献

［1］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T19077－2016粒度分布激光衍射法［S］．北京:中国标准出版社，2016.

［2］刘勇，罗志强，刘婵.粒径对钛白粉光学性能的影响［J］．钢铁钒钛，2018，39(3):17－20.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJF1059.1－2012测量不确定度评定

与表示［S］．北京:中国标准出版社，2013.

［4］张文阁，刘俊杰.激光粒度分析仪校准方法及校准结果不确定度

分析//中国颗粒学会［C］．中国粉体技术编辑部，2008.

［5］梁晓冬，张晓晨，王敏，等.一种激光粒度分析仪测量结果不确定度评定方法［P］．CN201610178470.6.

［6］王旭辉.激光粒度分析仪校准的测量不确定度评定//全国理化测

试学术研讨会暨理化检验创刊50周年大会:中国机械工程学会［C］．2012.

［7］姚尧，常子栋，王志鹏，等.激光粒度分析仪测量聚苯乙烯微球标准物质的校准结果不确定度评定［J］．科技与创新，2020(2):72－73.__

文章发表于《广州化工》2020年12月第48卷第24期