RU2216008C1 - Procedure establishing particle size by sedimentation method - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: procedure is meant to establish size of largest particle in output of ultradispersive fraction of ammonium perchlorate or in its suspension. Ultradispersive fraction of ammonium perchlorate is dissolved in dimethylformamide with proportion

Sediment of output is extracted and toluene is added to it. Time of sedimentation of largest ( first ) particle of output through layer of chlorobenzene with height between 50 to 150 mm is measured. Then diameter D in microns is found by formula

Description

Изобретение относится к области определения размера частиц порошковых материалов. Это может быть использовано в других областях, где требуется определение размера единичных твердых частиц. The invention relates to the field of determining the particle size of powder materials. This can be used in other areas where the determination of the size of single solid particles is required.

При изготовлении смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ) наряду с крупными частицами находит применение ультрадисперсная фракция перхлората аммония (УДП) со средним размером частиц 2 и менее микрон. Эту фракцию получают методом мокрого помола в бисерных мельницах в присутствии в качестве мелющих тел шариков из высокопрочного стекла. Недостатком процесса измельчения с применением мелющих тел является их истирание и попадание в продукт в виде намола. Примеси намола как по количеству, так и по размерам оказывают отрицательное влияние на свойства СТРТ. Так, повышенное содержание намола приводит к снижению удельного импульса СТРТ. Кроме того, увеличенное содержание намола, особенно наличие крупных частиц его, повышают чувствительность СТРТ к механическим воздействиям и могут создать аварийную ситуацию при ведении технологического процесса по изготовлению зарядов из СТРТ. Для обеспечения требуемых характеристик СТРТ и безопасных условий изготовления зарядов в УДП ограничено содержание намола, не более 0,5%, и максимальный размер частиц намола, не более 70 мкм. In the manufacture of mixed solid rocket fuel (STRT), along with large particles, an ultrafine fraction of ammonium perchlorate (UDP) with an average particle size of 2 or less microns is also used. This fraction is obtained by wet grinding in bead mills in the presence of high-strength glass balls as grinding bodies. The disadvantage of the grinding process using grinding media is their abrasion and getting into the product in the form of milling. Impurities of salting both in quantity and in size have a negative effect on the properties of STRT. Thus, an increased content of namol leads to a decrease in the specific impulse of STRT. In addition, the increased content of namol, especially the presence of large particles of it, increases the sensitivity of STRT to mechanical stress and can create an emergency when conducting a process for the manufacture of charges from STRT. To ensure the required characteristics of the STRT and safe conditions for the manufacture of charges in the UDP, the namol content is limited to not more than 0.5%, and the maximum particle size of the namol is not more than 70 microns.

Существует множество методов определения размера твердых частиц [Ходаков Г. С. "Основные методы дисперсного анализа порошков", Москва, Стройиздат, 1968 г.; Коузов П.А., "Основы анализа дисперсного состава порошков", Ленинград, Химия, 1987 г.]. Большинство из известных методов основано на определении среднего размера частиц из их совокупности и распределения по размерам. Одним из недостатков их является то, что выделить и замерить размеры единичных, отдельно взятых частиц, не представляется возможным. Размеры единичных частиц могут быть определены, например, при применении микроскопов. Однако это процесс длителен и трудоемок. There are many methods for determining the size of solid particles [G. Khodakov, "Basic Methods for the Dispersion Analysis of Powders", Moscow, Stroyizdat, 1968; Kouzov PA, "Fundamentals of the analysis of the dispersed composition of powders", Leningrad, Chemistry, 1987]. Most of the known methods are based on determining the average particle size from their combination and size distribution. One of their drawbacks is that it is not possible to isolate and measure the sizes of individual, individual particles. The sizes of single particles can be determined, for example, using microscopes. However, this process is time consuming and laborious.

Так, например, в отбираемой для анализа представительной пробе УДП массой 50 г при содержании намола 0,5% и среднем размере частиц 3 мкм общее их количество составит 7•10⁹ частиц. Обычно при определении гранулометрического состава под микроскопом принято считать около 1000 частиц. Таким образом, обсчет с охватом всех частиц может быть осуществлен за 10⁶ приемов. Следовательно, этот метод не приемлем для оперативного контроля и управления процессом измельчения при изготовлении УДП.So, for example, in a representative sample of UDP with a mass of 50 g taken for analysis with a namol content of 0.5% and an average particle size of 3 μm, their total number will be 7 • 10 ⁹ particles. Usually, when determining the particle size distribution under a microscope, it is customary to count about 1000 particles. Thus, the calculation with the coverage of all particles can be carried out in 10 ⁶ receptions. Therefore, this method is not acceptable for operational control and management of the grinding process in the manufacture of UDP.

Наиболее близок по своей сущности предлагаемому изобретению способ седиментационного анализа по SU 1334072, принятый за прототип. По этому способу предложено условие для седиментационного анализа, что отношение разности плотностей жидкой и твердой фаз в суспензии к вязкости жидкой фазы должно быть равно отношению тех же параметров для дисперсионной жидкости. Недостатком этого способа является ограниченная возможность его для широкого применения, так как требуется подбор ингредиентов по пяти параметрам, что трудно осуществимо. При этом следует иметь в виду, как это требуется для седиментационного анализа, жидкие среды не должны растворять исследуемый материал. Без условия, предположенного по вышеуказанному способу, можно обойтись, если наносить суспензию исследуемого материала в тонком слое на поверхность дисперсионной жидкости. The closest in essence to the proposed invention a method of sedimentation analysis according to SU 1334072, adopted as a prototype. According to this method, the condition for sedimentation analysis is proposed that the ratio of the difference in the densities of the liquid and solid phases in suspension to the viscosity of the liquid phase should be equal to the ratio of the same parameters for the dispersion liquid. The disadvantage of this method is its limited possibility for widespread use, since the selection of ingredients in five parameters is required, which is difficult to implement. It should be borne in mind, as is required for sedimentation analysis, liquid media should not dissolve the test material. It is possible to do without the condition suggested by the above method by applying a suspension of the test material in a thin layer to the surface of the dispersion liquid.

Описанный метод может быть принят за основу при определении размера единичной частицы. Применительно к УДП и его суспензии необходимо выделить из них частицы намола. Для этого требуется подобрать растворитель для перхлората аммония. В качестве растворителя подобран диметилформамид (ДМФ). Как видно из нижеприведенных в табл. 1 данных, он имеет близкие физические свойства с дисперсионными средами, применяемыми в качестве суспензионной жидкости. The described method can be taken as a basis for determining the size of a single particle. In relation to UDP and its suspension, it is necessary to isolate namol particles from them. To do this, you need to choose a solvent for ammonium perchlorate. Dimethylformamide (DMF) was selected as a solvent. As can be seen from the following in table. 1 data, it has similar physical properties with dispersion media used as a suspension liquid.

Технической задачей настоящего изобретения является создание упрощенного и ускоренного метода определения размера наиболее крупной частицы намола методом седиментационного анализа. The technical task of the present invention is to provide a simplified and accelerated method for determining the size of the largest particles of salted by sedimentation analysis.

Техническое решение достигается за счет того, что пробу ультрадисперсной фракции перхлората аммония с частицами намола мелющих тел или ее в суспензии обрабатывают диметилформамидом в весовом соотношении 1: (5÷8), выделяют осадок намола, добавляют толуол, замеряют время осаждения наиболее крупной частицы намола через слой хлорбензола высотой от 50 до 150 мм и определяют диаметр частицы в микронах по формуле

l - высота слоя хлорбензола, см
t - время осаждения частицы намола, с.The technical solution is achieved due to the fact that a sample of the ultrafine fraction of ammonium perchlorate with particles of grinding of grinding media or in suspension is treated with dimethylformamide in a weight ratio of 1: (5 ÷ 8), precipitate of grinding, add toluene, add toluene, measure the deposition time of the largest particles of grinding through a layer of chlorobenzene with a height of 50 to 150 mm and determine the particle diameter in microns by the formula

l is the height of the layer of chlorobenzene, cm
t is the sedimentation time of the namol particle, s.

Определение размера частиц намола необходимо производить в сухом УДП и суспензии его в хладоне-113 или в другой жидкости. Для выделения частиц намола должно быть обеспечено полное растворение частиц перхлората аммония. Экспериментально определено потребное минимальное количество диметилформамида (см. табл.2) для суспензии, содержащей 20% УДП в хладоне-113. The determination of the particle size of namol must be carried out in dry UDP and its suspension in HFC-113 or in another liquid. To isolate namol particles, complete dissolution of the ammonium perchlorate particles must be ensured. The required minimum amount of dimethylformamide (see Table 2) was experimentally determined for a suspension containing 20% UDP in Freon-113.

По приведенным в табл.2 данным минимально допустимое соотношение диметилформамида к УДП должно быть 5:1, что и составляет нижний предел. Чтобы обеспечить это соотношение, необходимо знание концентрации УДП в суспензии путем проведения анализа. По статистическим данным максимальное содержание УДП в суспензии составляет 32%. При постоянном количестве отбираемой пробы суспензии, рассчитанной исходя из 20% содержания УДП, как это принято на производстве, максимальное содержание УДП в суспензии будет в 32/20=1,6 раза больше. Следовательно, и количество вводимого для растворения диметилформамида будет в 1,6 раза больше и верхний предел в соотношении составит 5 х 1,6 = 8. Дальнейшее увеличение количества диметилформамида нецелесообразно, так как приводит к повышению его расхода. According to the data in Table 2, the minimum allowable ratio of dimethylformamide to UDP should be 5: 1, which is the lower limit. To ensure this ratio, it is necessary to know the concentration of UDP in the suspension by analysis. According to statistics, the maximum content of UDP in suspension is 32%. With a constant number of samples taken of the suspension, calculated on the basis of 20% of the content of UDP, as is customary in production, the maximum content of UDP in the suspension will be 32/20 = 1.6 times more. Therefore, the amount of dimethylformamide introduced for dissolution will be 1.6 times larger and the upper limit in the ratio will be 5 x 1.6 = 8. A further increase in the amount of dimethylformamide is impractical, since it leads to an increase in its consumption.

Таким образом соотношение УДП и диметилформамида должно быть 1:(5÷8). Thus, the ratio of UDP and dimethylformamide should be 1: (5 ÷ 8).

Как указывалось выше, в качестве суспензионной жидкости рекомендован толуол, в то время как после растворения УДП намол находится в растворе перхлората аммония в диметилформамиде. В связи с этим выделяют осадок намола и добавляют к нему толуол нижеописанным способом. В растворе УДП в диметилформамиде частицы намола легко осаждаются. Для уменьшения содержания раствора в намоле можно производить уплотнение его слоя путем отстаивания или центрифугирования в центробежной пробирке. После этого избыток раствора УДП в диметиформамиде удаляют декантацией так, чтобы не захватить частицы намола. Намол с остатком жидкости из центробежной пробирки переносят в мензурку или стакан, смывая осадок со стенок пробирки 30-50 мл толуола с вводом 0,05% лецитина в качестве ПАВ. Содержимое в мензурке или стакане перемешивают стеклянной палочкой и выдерживают в спокойном состоянии в течение 30-60 мин. до полного оседания частиц намола. После оседания намола жидкую среду сливают декантацией, оставляя в мензурке или стакане 10-20 мл намола с толуолом. После перемешивания всю суспензию намола в толуоле осторожно и быстро выливают на поверхность хлорбензола, содержащего 0,5-0,6% растворенного лецитина. Одновременно включают секундомер. При этом начинается оседание частиц намола в хлорбензоле. Фиксируют время осаждения первой частицы намола через слой хлорбензола заданной высоты. As indicated above, toluene is recommended as a suspension liquid, while after dissolving the UDP, namol is in a solution of ammonium perchlorate in dimethylformamide. In this regard, a precipitate of namol is isolated and toluene is added to it as described below. In a solution of UDP in dimethylformamide, namol particles easily precipitate. To reduce the solution content in namol, it is possible to compact its layer by settling or centrifuging in a centrifugal tube. After that, the excess solution of UDP in dimethiformamide is removed by decantation so as not to trap the particles of salting. Namol with the remainder of the liquid from the centrifugal tube is transferred to a beaker or a glass, washing the precipitate from the walls of the tube with 30-50 ml of toluene with the introduction of 0.05% lecithin as a surfactant. The contents in a beaker or glass are mixed with a glass rod and kept in a calm state for 30-60 minutes. until complete settling of the particles of grinding. After sedimentation of namol, the liquid medium is drained by decantation, leaving 10-20 ml of namol with toluene in a beaker or a glass. After stirring, the entire suspension of namol in toluene is carefully and quickly poured onto the surface of chlorobenzene containing 0.5-0.6% dissolved lecithin. At the same time include a stopwatch. This begins the sedimentation of particles of namol in chlorobenzene. The time of deposition of the first namol particle through a layer of chlorobenzene of a given height is fixed.

По формуле Стокса при известных параметрах жидкой среды для конкретного вещества время осаждения будет зависеть от размера частиц. Такая зависимость позволяет при фиксировании времени осаждения отдельно взятой частицы с заданной высоты определить ее размер. According to the Stokes formula, with known parameters of the liquid medium for a particular substance, the deposition time will depend on the particle size. This dependence makes it possible to determine its size when fixing the deposition time of an individual particle from a given height.

Имеющиеся статистические данные показывают, что максимальный размер частиц намола находится в пределах 30-105 мкм. Минимально допустимая высота дисперсионной жидкости определяется необходимостью обеспечения достаточной точности при замере времени осаждения. Для обеспечения необходимой точности время осаждения должно быть не менее 5 секунд. Available statistics show that the maximum particle size of namol is in the range of 30-105 microns. The minimum allowable height of the dispersion liquid is determined by the need to ensure sufficient accuracy when measuring the deposition time. To ensure the necessary accuracy, the deposition time should be at least 5 seconds.

Формула Стокса для определения размера частиц по диаметру Д

т.к.

где η - вязкость дисперсионной жидкости (хлорбензол), равная 0,008 гсм/с;
d - плотность намола, 2,6 г/см³;
d₁ - плотность дисперсионной жидкости (хлорбензола), 1,197 г/см³;
l - высота слоя дисперсионной жидкости, см;
q - ускорение силы тяжести, 980,7 см/с²;
t - время осаждения, с.Stokes formula for determining the particle size by diameter D

because

where η is the viscosity of the dispersion liquid (chlorobenzene), equal to 0.008 gsm / s;
d is the density of the namol, 2.6 g / cm ³ ;
d ₁ is the density of the dispersion liquid (chlorobenzene), 1.197 g / cm ³ ;
l is the height of the dispersion liquid layer, cm;
q is the acceleration of gravity, 980.7 cm / s ² ;
t is the deposition time, s.

По указанной формуле определяют высоту дисперсионной жидкости, необходимой для прохождения частицы с диаметром 105 мкм в течение 5 с

Таким образом, минимальная высота дисперсионной жидкости должна быть 5 см или 50 мм.According to this formula, determine the height of the dispersion liquid necessary for the passage of particles with a diameter of 105 μm for 5 s

Thus, the minimum height of the dispersion liquid should be 5 cm or 50 mm.

Максимальная высота слоя ограничена необходимостью уменьшения продолжительности анализа и удобством в обслуживании. Приемлемой высотой слоя с точки зрения обслуживания является 150 мм. The maximum layer height is limited by the need to reduce the analysis time and ease of maintenance. An acceptable layer height in terms of maintenance is 150 mm.

По формуле Стокса определим время осаждения частицы намола диаметром 30 мм (минимально возможный диаметр наиболее крупной частицы) в слое жидкости высотой 150 мм

Таким образом, высота дисперсионной жидкости 150 мм приемлема для быстрого определения размера частицы намола.Using the Stokes formula, we determine the deposition time of a namol particle with a diameter of 30 mm (the smallest possible diameter of the largest particle) in a liquid layer 150 mm high

Thus, a dispersion liquid height of 150 mm is acceptable for quick determination of the size of the particles of milling.

Для обеспечения достаточной для практических целей погрешности размера частиц намола в пределах ±1 мкм следует проводить измерения при температуре в пределах 18-20^oС.To ensure sufficient practical errors in the size of the particles of milling within ± 1 μm should be measured at a temperature in the range of 18-20 ^o C.

Таким образом для определения размера частицы намола замеряют время осаждения частицы намола через слой хлорбензола высотой, заданной в пределах от 50 до 150 мм. По формуле Стокса вычисляют диаметр частицы намола по формуле

Таким образом при известных постоянных параметрах вязкости η, плотностей d и d₁, ускорении силы тяжести q диаметр Д частицы намола в микронах определяют по формуле

где l - высота слоя хлорбензола, см;
t - время осаждения частицы намола, с.Thus, to determine the size of the particles of namol, the time of deposition of the namol particle through a layer of chlorobenzene with a height specified in the range from 50 to 150 mm is measured. The Stokes formula calculates the diameter of the namole particle by the formula

Thus, with known constant parameters of viscosity η, densities d and d ₁ , acceleration of gravity q, the diameter D of the namol particle in microns is determined by the formula

where l is the height of the layer of chlorobenzene, cm;
t is the sedimentation time of the namol particle, s.

Пример. При проведении анализа по "предлагаемому способу время осаждения первой частицы намола в слое хлорбензола высотой 150 мм получено 30 с при температуре 293 К (20^oС).Example. When carrying out the analysis according to the "proposed method, the deposition time of the first namol particle in a layer of chlorobenzene with a height of 150 mm was obtained for 30 s at a temperature of 293 K (20 ^o C).

По формуле Стокса определим диаметр этой частицы

Таким образом, при этих условиях размер частицы намола будет 72 микрона.Using the Stokes formula, we determine the diameter of this particle

Thus, under these conditions, the particle size of the namol will be 72 microns.

Предлагаемый способ определения размера наиболее крупной частицы намола в ультрадисперсной фракции перхлората аммония прост в осуществлении и не требует сложных приборов. The proposed method for determining the size of the largest particles of namol in the ultrafine fraction of ammonium perchlorate is simple to implement and does not require complex devices.

Предлагаемый способ прошел испытания с положительными результатами в условиях Федерального Унитарного Государственного предприятия "Пермский завод им. С.М.Кирова". The proposed method has been tested with positive results in the conditions of the Federal Unitary State Enterprise Perm Plant named after S.M. Kirov.

Claims (1)

Способ определения размера частиц методом седиментации, отличающийся тем, что пробу ультрадисперсной фракции перхлората аммония с частицами намола мелющих тел или ее в суспензии обрабатывают диметилформамидом в весовом соотношении 1: (5÷8), выделяют осадок намола, добавляют толуол, замеряют время осаждения наиболее крупной частицы намола через слой хлорбензола высотой 50 - 150 мм и определяют диаметр частицы Д в микронах по формуле

где l - высота слоя хлорбензола, см;
t - время осаждения частицы намола, с.A method for determining the particle size by sedimentation method, characterized in that the sample of the ultrafine fraction of ammonium perchlorate with particles of grinding of grinding media or it in suspension is treated with dimethylformamide in a weight ratio of 1: (5 ÷ 8), precipitate of grinding is added, toluene is added, the deposition time is measured for the largest namol particles through a layer of chlorobenzene with a height of 50 - 150 mm and determine the particle diameter D in microns according to the formula

where l is the height of the layer of chlorobenzene, cm;
t is the sedimentation time of the namol particle, s.

Images