多重光散射仪测定拉丝液稳定性的应用

姚荣文， 黄代忠， 张立彦

（珠海格力电工有限公司，珠海 518100）

0 引言

漆包线作为电磁能转换的核心材料，广泛用于电力、机电、电气设备、家用电器、电子等领域。 漆包线制造业曾经属于我国高新科技行业，随着经济的发展和技术水平的提高，漆包线的应用端（如电机、电器等）均向小型化、轻量化、高性能化方向发展，对漆包线的性能要求也越来越高。

按照GB／T 3952—2016《电工用铜线坯》规定，漆包线制造通常需要把电工用铜杆φ8.0 mm 经过多道模具挤压拉细，分为大、中、小／微拉设备，可拉细到直径只有几十个微米的规格线。 铜丝拉伸后经过反复涂覆不同类别绝缘漆，并经高温烘烤固化后，制得各种不同耐热等级及相应性能要求的漆包线。铜杆拉丝的质量对漆包线的电性能和机械性能影响较大。

在拉丝过程中，拉丝液起到润滑、清洁、冷却、抗氧化等多种作用。 拉丝液的选型与使用过程中，需要关注的问题有：①金属拉细时产生大量粉末颗粒；②拉丝液中油脂酸败，滋生细菌；③其他杂物掉入拉丝池中；④拉丝液稳定性不好，性能易变化。 针对以上几个问题，漆包线企业对拉丝液的使用摸索出了各自的一套经验，但是对于拉丝液稳定性问题却鲜有研究，主要还是依据供应商推荐和长周期试用结果验证。

目前，研究乳液稳定性常用方法有目测法、比色法、浊度法等［1］，本工作采用了多重光散射技术分析，该方法不仅能快速判定油水分层、浮沉现象，还能获得乳液微观变化（如乳滴粒径变化，滴液之间的团聚等）及体系稳定性随温度变化而波动的信息。 与传统方法相比，多重光散射技术分析法更便捷高效，具有很大的优越性［2］。

1 试验部分

1.1 试验设备

Turbiscan 型多重光散射仪［3］。

1.2 试样样品

两种不同品牌的拉丝油，按实际使用浓度配成拉丝液：标记为样品D 和样品H。

1.3 试验方法

将两种配制好的拉丝液样品分别放入20 mL的测量池内，将样品池置入多重光散射仪内进行测量。 测量温度在25～50 ℃之间。

2 试验原理

多重光散射仪是由一个脉冲式的近红外光源（波长为880 nm ） 和两个同步的检测器组成，图1为Turbiscan 型多重光散射仪检测原理示意图。

图1 Turbiscan 型多重光散射仪检测原理示意图

透射光检测器是用于研究透明清澈的溶液，背散射光检测器是用于研究高浓度的溶液。 通过光源发射的光对样品从样品管的底部顶部每间隔20 μm测量一次，完成样品池从底到顶的测量称为一次扫描。 检测器收集透射光强度（T）和背散射光强度（BS）数据，每次扫描得到一条谱线，经过多次扫描，可得到一张图谱。 由于透射光和背散射光强度是直接由分散相的粒子大小和体积百分比浓度变化决定，因此从图谱变化信息就可以确定样品溶液的浓度或粒径的变化，从而对样品溶液中由于聚结、絮凝或团聚现象造成的粒子粒径的变化及位置的变化进行实时监测，并以此来表征样品的稳定性。

（1）粒子大小。 粒子大小对背散射光和透射光光强的影响见图2 和图3。

由图2 可知，以600 nm 为界，当颗粒粒径小于600 nm 时，背散射光的强度是随着颗粒粒径的增大而增加；当颗粒粒径大于600 nm 时，背散射光的强度是随着颗粒粒径的增大而降低。

图2 颗粒粒径大小对背散射光强度的影响

由图3 可知：以2000 nm 为界，当颗粒粒径小于2000 nm 时，透射光的强度是随着颗粒粒径的增大而降低；当颗粒粒径大于2000 nm 时，透射光的强度是随着颗粒粒径的增大而增加。

图3 颗粒粒径大小对透射光强的影响

（2）体系的体积百分比浓度。 样品溶液的体积浓度对光强度的影响见图4［4］。

图4 样品溶液的体积浓度对光强度影响

由图4 可知，样品溶液浓度低时体系透射光通过率高，但随体系的体积百分比浓度的增加而降低。达到一定浓度后，透射光通过率几乎为零，但背散射光的强度开始随体系的体积百分比浓度的增加而逐渐增强。

根据米氏（Mie） 散射理论［5-6］，当光射到低透明度的物体上时，其背散射光强（IB） 与光子传输平均自由程（l*） 的平方根成反比：

其中：

Φ为粒子体积分数；d为粒子平均直径；g、Qs均为米氏理论中的参数。

忽略吸收和损耗，透射光强（IT）与散射光强互补，两者的和等于设备入射光强（Ii）。

3 结果与讨论

3.1 粒径变化分析

在相同试验条件下，测得两种样品在25 ℃时和50 ℃时体系中初始平均粒径值，见表1。 此外，通过长时间（24 h）反复扫描［7］，可观察体系中粒径的变化，得到25 ℃和50 ℃时样品D 及样品H 粒径中值变化分别见图5，图6。

表1 25 ℃和50 ℃时两种样品体系中初始平均粒径μm

图5 样品D 在25 ℃和50 ℃时粒径中值随扫描时间变化

图6 样品H 在25 ℃和50 ℃时粒径中值随扫描时间变化

由表1 可知：样品D 和样品H 在25 ℃和50 ℃时体系中初始平均粒径并无明显差异。

由图5 可知：样品D 在25 ℃和50 ℃时粒径中值稳定，不随扫描时间的变化而变化。

由图6 可知：样品H 在50 ℃时并不稳定，粒径中值随扫描时间逐渐增大。

3.2 光强变化ΔT 分析

软件设定第一次扫描结果为蓝色，最后一次扫描为红色。 测得透射光或背散光的强度。 为了方便分析，将透射光或背散光的数据设置为参比模式，第一条线为参比值，其余的线都与他相比较，得到△T。光强增加时△T是正值，光强降低时△T为负值。 经过程序设定多次扫描后（总扫描时间约24 h），分别得到两种样品在25 ℃和50 ℃时粒径数据和变化趋势，以及样品池内各高度的透射光△T或背散光△BS的变化。 图7～图9 中横坐标（高度）代表是样品池从底部到扫描位置的距离，最大处为乳液表层。

当透射光强大于0.2% 时使用透射光进行分析，否则应采用背散射光进行分析。 样品D 的透射光强度大于0.2%，因此只看透射光△T变化。 样品H 在25 ℃时底部透射光强度较大，其他位置透射光强度小于0.2%，所以当25 ℃时要同时分析透射光△T和背散射光△T随扫描时间变化；而当50 ℃时样品H 透射光强度均小于0.2%，所以当50 ℃时分析背散射光△T随扫描时间变化。

在25 ℃时和50 ℃时H 样品池及D 样品池内各高度透射光强变化△T随扫描时间变化见图7，图8。

图7 在25 ℃时和50 ℃时样品D 的池内各高度透射光强△T 随扫描时间变化

由图7 可知，在25 ℃时和50 ℃时，样品D 的池内各高度的透射光强△T值随扫描时间变化很小，说明样品D 没有出现明显的上浮或者分层现象。

由图8 可知，在25 ℃时，样品H 的池底透射光强△T和顶部背散射光强△T随扫描时间逐渐增大，样品同时出现了底部析清分层和顶部上浮分层；在50 ℃时，样品H 池顶部出现上浮分层，中间高度位置出现了轻微的颗粒团聚。

图8 样品H 的池内各高度多重光强参比值随扫描时间变化

3.3 拉丝液体系稳定性

可以用简单的稳定性动力学指数的值表征样品整个体系的稳定性［8］，计算公式为从式（4）可知：稳定性指数是一个数学差值的计算公式。 指数越小，样品的稳定性越好，一般认为样品的稳定性指数小于0.2，说明样品稳定性极好。 两种样品在25 ℃和50 ℃时稳定性指数见表2。

表2 样品在25 ℃和50 ℃时稳定性指数

由表2 可知：①样品D 在常温和高温条件下稳定性都远高于样品H；②样品D 在高温条件下稳定性比常温更好；③样品H 在常温条件下稳定性比高温更好。

体系不稳定因素分析如下：

（1）分散相均匀性。 均匀度指数是取样品池中部位置10～30 mm 处所有背散光数据点进行相对标准偏差（RSD）的计算：

其中：

分散均匀性指数表征了样品中各个分散组分在体系中的分散均匀性程度，分散均匀性指数越大，样品的分散均匀性程度越差。 一般而言，当分散均匀性指数小于0.2 时表明分散程度较好。 样品分散均匀性指数见表3。

表3 样品分散均匀性指数

由表3 结果可知：两种样品的分散均匀性指数均太理想，相对而言样品D 的分散均匀性明显好于样品H。

（2）背散射光强变化量。 一般而言，背散射光强变化量在0.2 以内为样品的颗粒变化在可接受范围之内。 背散射光强变化值见表4。

表4 背散射光强变化值

由表4 可知，样品H 在50 ℃条件下的背散射光强度变化量为0.41，说明该样品50 ℃时存在颗粒团聚的现象。

（3）背散射光强绝对值。 该数值与样品的组成以及粒度和浓度有一定的相关性。 两个样品的背散射光强绝对值见表5。

表5 背散射光强绝对值

由表5 可知：两个样品有很大的差别，对于浓度相同、分散工艺相似的样品D 与样品H 来说，两个样品的配方组成存在很大差异。

（4）分层稳定性。 针对两组样品池的底部与顶部分层峰做分析，峰高值越大，说明样品分层浓度变化越大，一般认为峰高在5%以下，样品较为稳定，不容易分层。 样品池底部、顶部峰高值见表6。

表6 样品池底部和顶部峰高结果

由表6 可知：样品D 稳定性较好，基本不会发生分层。 样品H 在常温条件下容易发生底部析清分层，同时顶部明显上浮分层；而在高温条件下顶部分层变小，底部分层消失。 说明提高温度有利于样品H 的稳定性。

此外，样品H 的顶部峰随时间变化曲线见图9。

图9 样品H 顶部峰高随时间变化曲线

由图9 可知：在多重光散射仪扫描样品池2 h后，就能清晰分辨出样品H 的稳定性发生明显变化。 与其他分析方法相比，使用多重光散射仪测定拉丝液体系的稳定性更便捷且更节省时间。

4 结 论

通过上述研究可以得到如下结论：

（1）使用多重光散射仪可以快捷测定相同使用条件下，不同品牌、型号拉丝液之间的差异。 为拉丝液的前期选型提供可靠依据。

（2）使用多重光散射仪可以快速测定拉丝液颗粒团聚现象以及粒径结构变化。 浓度稳定性是影响拉丝加工质量的重要因素。

（3）使用多重光散射仪可以快速测定拉丝液在不同使用温度下的稳定性。 为漆包线拉丝工艺的制定提供改善依据。

（4）对于一些有能力自行调配拉丝液的企业来说，使用多重光散射仪还有助于配方开发、分散工艺调整等。