超声波测量纳米颗粒粒度分布

超声波检测前，将待检样品包括变声程装置置于一集热式恒温水浴加热容器中，这样可以实现颗粒两相介质的精确温度控制，然后利用超声波处理器做超声波分散，耗时5～15 min，以获得均匀性良好的悬浮颗粒。图7.3和图7.4为试验中采用的恒温加热容器以及超声波处理器。

图7.3　恒温加热容器

图7.4　超声波处理器

根据目前的分散技术，配置的纳米颗粒悬浊液浓度均较低，四种纳米颗粒样品分别为体积浓度1%的纳米TiO2-H2O悬浊液、体积浓度2%的纳米ATO-H2O悬浊液、体积浓度0.5%的纳米Ag-H2O悬浊液以及体积浓度0.5%的AZO-H2O悬浊液。

很明显，纳米颗粒悬浊液中的粒径满足“长波长”条件，且浓度较低（不超过5%），依据第3章的分析，纳米颗粒悬浊液中的超声损失主要由黏性损失、热损失、吸收损失、散射损失构成。因此可按照第4章介绍的McClements理论模型叠加BLBL理论模型共同描述超声在纳米颗粒悬浊液中的衰减行为，纳米颗粒粒度分布的反演采用最优正则化优化算法（optimum regularization technique，ORT）。

调节变声程反射板的位置，获得前后两列超声反射回波信号。图7.5分别为25℃下，四种纳米颗粒悬浊液中超声远场所测得回波信号并以激励信号波前为基点叠加后得到的信号图。

图7.5　不同纳米颗粒悬浊液的超声回波信号

对图7.5的两列超声回波信号做频谱分析，依据式（6.1）计算并扣除水中超声衰减后得到的不同纳米颗粒在悬浊液中的超声衰减谱如图7.6所示。

图7.6　不同纳米颗粒在悬浊液中的超声衰减谱

由图7.6可见，随着超声波频率的增大，衰减明显增加，尤其在相对高频段范围，衰减对频率的改变更加敏感，说明选择相对高频超声波检测纳米颗粒，可以获得更为丰富的信息，有助于颗粒粒径的反演计算。但随着检测超声波频率的升高，近场长度会明显增大，需要满足声程距离大于近场长度这一条件，超声回波信号的衰减较大，为保证检测结果准确性，对检测仪器的信噪比要求无疑将极大提高，相应提高如信号采集、信号处理等多方面的要求。

将图7.6的超声衰减系数按照最优正则化算法进行数据反演处理后得到不同纳米颗粒的粒度分布。其中，纳米TiO2、纳米ATO、纳米Ag三种颗粒利用荷兰某公司所提供的CPS离心沉降纳米粒度测量仪进行对比检测。

1）纳米TiO2颗粒粒度分布测量结果

图7.7和表7.1为纳米TiO2颗粒粒度分布的测量结果。

图7.7　纳米TiO2颗粒粒度分布

从表7.1可以得到，采用超声衰减谱测量得到该纳米TiO2颗粒粒度分布范围在13.1～80.4 nm，峰值粒径为34.5 nm。按照该频度分布计算，所得平均粒径D32为41.3 nm。

表7.1　纳米TiO2颗粒粒度分布

（续表）

图7.8为CPS离心沉降纳米粒度测量仪对相同产品所做的分析检测结果。如图7.8所示，纳米TiO2颗粒群粒度分布呈现单峰模式，所得平均粒径D32为39.8 nm，峰值粒径为33.8 nm，粒度分布在20.1～992 nm，但在141.4～992 nm范围频度分布极低。

图7.8　纳米TiO2颗粒离心沉降仪检测结果(www.xing528.com)

2）纳米ATO颗粒粒度分布测量结果

图7.9和表7.2为纳米ATO颗粒粒度分布的测量结果。

图7.9　纳米ATO颗粒粒度分布

从表7.2可以得到，采用超声衰减谱测量得到该纳米ATO颗粒粒度分布范围在11.4～45.7 nm，峰值粒径为21.4 nm。按照该频度分布计算，所得平均粒径D32为25.7 nm。

表7.2　纳米ATO颗粒粒度分布

（续表）

图7.10为CPS离心沉降纳米粒度测量仪对相同产品所做的分析检测结果。如图7.10所示，纳米ATO颗粒群粒度分布呈现单峰模式，所得平均粒径D32为22.1 nm，峰值粒径为18 nm，粒度分布在10.1～967.4 nm，但在62.6～967.4 nm范围频度分布极低。

图7.10　纳米ATO颗粒离心沉降仪检测结果

3）纳米Ag颗粒粒度分布测量结果

图7.11和表7.3为纳米Ag颗粒粒度分布的测量结果。

图7.11　纳米Ag颗粒粒度分布

从表7.3可以得到，采用超声衰减谱测量得到该纳米Ag颗粒粒度分布范围在11.8～28.4 nm，峰值粒径为19.2 nm。按照该频度分布计算，所得平均粒径D32为19.7 nm。

表7.3　纳米Ag颗粒粒度分布

图7.12为CPS离心沉降纳米粒度测量仪对相同产品所做的分析检测结果。如图7.12所示，纳米Ag颗粒群粒度分布呈现单峰模式，所得平均粒径D32为11.4 nm，峰值粒径为11.7 nm，粒度分布在5.1～99.7 nm，但在22.5～99.7 nm范围频度分布极低。

图7.12　纳米Ag颗粒离心沉降仪检测结果

4）纳米AZO颗粒粒度分布测量结果

图7.13和表7.4为纳米AZO颗粒粒度分布的测量结果。

图7.13　纳米AZO颗粒粒度分布

表7.4　纳米AZO颗粒粒度分布

从表7.4可以得到，采用超声衰减谱测量得到该纳米AZO颗粒粒度分布范围在11.8～33.9 nm，峰值粒径为22.9 nm。按照该频度分布计算，所得平均粒径D32为23.1 nm。在上海某纳米科技有限公司所提供的样品说明中，该颗粒粒度分布范围在20～40 nm，其公司网站有上海交通大学提供的详细检测报告，结合该颗粒的TEM测量图像分析，超声波测量结果还是较为可靠的。