Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 8.774-2011 "Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. N 1119-ст)

State system for ensuring the uniformity of measurements. Disperse composition of liquid media. Determination of particle size by dynamic light scattering

Дата введения - 1 января 2013 г.

Введен впервые

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ")

2 Внесен Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. N 1119-ст

4 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных стандартов:

- ИСО 22412:2008 "Гранулометрический анализ. Динамическое рассеяние света" (ISO 22412:2008 "Particle size analysis - Dynamic light scattering (DLS)");

- ИСО 13321:1996 "Анализ гранулометрический. Спектроскопия с фотонной корреляцией" (ISO 13321:1996 "Particlesize analysis - Photon correlation spectroscopy")

5 Введен впервые

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на метод измерений размеров наночастиц в жидких средах по динамическому рассеянию света (далее - метод измерений).

Метод измерений реализуют в системах анализа с гомодинным и гетеродинным способами детектирования оптического сигнала.

В соответствии с настоящим стандартом метод измерений применяют при использовании анализаторов с гомодинным способом детектирования.

Стандарт не устанавливает конкретных методик измерений размеров наночастиц конкретных продуктов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений

ГОСТ Р ИСО 14644-1-2002 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха

ГОСТ 6709-72 Вода дистиллированная. Технические условия

ГОСТ 9805-84 Спирт изопропиловый. Технические условия

ГОСТ 18300-87 Спирт этиловый ректификованный технический. Технические условия

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1

взвесь: Жидкая неоднородная система, состоящая из твердых частиц, распределенных в жидкости. [ГОСТ 16887-71, статья 4]

3.2

дисперсная система: Система, состоящая из двух или более фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. [ГОСТ Р 51109-97, статья 5.6]

3.3

дисперсная фаза: Прерывная фаза в дисперсной системе в виде отдельных мелких твердых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа. [ГОСТ 16887-71, статья 1]

3.4

дисперсионная среда: Непрерывная фаза в дисперсной системе. [ГОСТ 16887-71, статья 2]

3.5 наночастица: Твердый, жидкий или многофазный объект, в том числе микроорганизм, размером менее или равным 100 нм.

3.6 размер наночастицы: Диаметр сферы, которая в контролирующем приборе дает отклик, равный отклику от оцениваемой наночастицы.

3.7 интенсивность рассеяния: Интенсивность света, рассеянного наночастицами в рассеивающем объеме.

3.8 рассеивающий объем: Часть объема контролируемой взвеси, рассеивающей свет, который регистрируется фотодетектором.

3.9

динамическая вязкость жидкой среды: Отношение применяемого напряжения сдвига к скорости сдвига жидкости. Иногда его называют коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Таким образом, динамическая вязкость является мерой сопротивления истечению или деформации жидкости. Примечание - Термин "Динамическая вязкость" можно также применять для обозначения зависимости от времени, при котором напряжение сдвига и скорость сдвига имеют синусоидальную временную зависимость. [ГОСТ 33-2000, раздел 3.3]

4 Сущность метода измерений

При зондировании взвеси лазерным лучом часть света рассеивается на локальных пространственных флуктуациях ее показателя преломления, вызванных броуновским движением частиц. Интенсивность I(t) рассеянного света пропорциональна спектральной плотности мощности этих флуктуации. Пространственный масштаб флуктуации показателя преломления взвеси, на которых происходит рассеяние лазерного света под углом , определяют в соответствии с формулой

,

(1)

где q - модуль волнового вектора рассеяния ;

n - показатель преломления взвеси;

- длина волны зондирующего излучения в вакууме.

В зависимости от угла пространственный масштаб изменяется в диапазоне от /(2n) при и до размеров, ограниченных реальными условиями эксперимента при = 0,005 рад.

Схема, иллюстрирующая процесс рассеяния света, и векторная диаграмма, характеризующая процесс рассеяния, приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема и векторная диаграмма, иллюстрирующие процесс рассеяния света

Спонтанное возникновение и последующая релаксация пространственных флуктуации показателя преломления взвеси к равновесному значению приводят к временной зависимости интенсивности рассеянного света I(t). Скорость релаксации этих флуктуации зависит от коэффициента диффузии D, а характерное время релаксации определяют из соотношения

.

(2)

Как правило, изменение интенсивности рассеянного света I(t) представляет собой стохастический стационарный процесс, выражаемый автокорреляционной функцией:

,

(3)

где - время усреднения (интегрирования);

- время корреляции;

I(t - ) интенсивность рассеянного света за время (t - ).

При наличии броуновского движения в взвеси автокорреляционная функция G() имеет вид:

,

(4)

где - экспериментально определяемые константы (угловые скобки обозначают усреднение по времени);

- время корреляции;

- характерное время релаксации.

На рисунке 2 приведен типичный вид автокорреляционной функции G().

Зная характерное время релаксации из анализа автокорреляционной функции, определенной по формуле (4), рассчитывают значение коэффициента диффузии D из формулы (2). Размер наночастиц d рассчитывают по формуле Стокса - Эйнштейна:

,

(5)

где - константа Больцмана; Т - абсолютная температура и - динамическая вязкость взвеси.

Рисунок 2 - Автокорреляционная функция рассеянного света

5 Описание средства измерений

5.1 Типичная схема средства измерений, реализующего метод измерений (далее - анализатор размера частиц), приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема анализатора размера частиц

5.2 Мощность лазера должна быть в диапазоне от 2 до 35 мВт. Для анализа наночастиц размером более 30 нм рекомендуется использовать лазеры мощностью от 2 до 5 мВт, для анализа наночастиц меньших размеров - лазеры мощностью от 15 до 35 мВт.

Примечание - При использовании лазеров мощностью свыше 35 мВт возникает опасность конвективной теплопередачи в анализируемом образце, влияющей на качество измерений.

5.3 В качестве фотоприемного устройства следует использовать высокочувствительный фотоумножитель или лавинный фотодиод.

5.4 Электронный блок обработки сигнала с коррелятором должен принимать сигнал с зависящей от времени интенсивностью и выдавать на выходе автокорреляционную функцию.

5.5 Обработка и представление результатов измерений должны проводиться автоматически.

5.6 В анализаторе размера частиц должна быть предусмотрена система контроля температуры анализируемого образца.

6 Условия измерений

6.1 При выполнении измерений соблюдают следующие условия окружающей среды, если в руководствах по эксплуатации применяемых средств измерений не указаны более жесткие условия:

- температура окружающей среды (2010)°С;

- влажность от 30% до 80%;

- давление от 84 до 106 кПа;

- напряжение питающей сети 230 В (%);

- в зоне размещения анализатора размера частиц должны отсутствовать механические вибрации частотами до 30 Гц и амплитудой виброперемещений более 0,75 мм;

- помещение, в котором эксплуатируют анализатор размера частиц, должно иметь класс чистоты не ниже 8 ИСО согласно ГОСТ ИСО 14644-1;

- не допускается прямое попадание на анализатор размера частиц солнечных лучей.

7 Требования безопасности

7.1 Измерения с помощью анализатора размера частиц должны выполнять лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности и допущенные к работе с электротехническими изделиями напряжением до 1000 В, имеющие квалификационную группу по электробезопасности не ниже III, а также прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с лазерным излучением.

7.2 При выполнении измерений соблюдают требования безопасности, указанные в эксплуатационной документации на анализатор размера частиц.

8 Порядок подготовки к проведению измерений

8.1 Содержание частиц в испытуемых образцах взвеси должно быть достаточным для их анализа с помощью анализатора размера частиц.

8.1.1 Критерии оценки минимального содержания частиц в образце взвеси:

а) интенсивность рассеяния испытуемым образцом должна быть не менее чем в 10 раз выше интенсивности рассеяния дисперсионной среды;

б) количество частиц в рассеивающем объеме должно быть от 500 до 1000. Допускается оценивать количество частиц N в рассеивающем объеме V по формуле

,

(6)

где - объемная доля частиц в образце взвеси;

V - рассеивающий объем анализатора размера частиц;

- средний размер частиц.

8.1.2 Критерий оценки максимального содержания частиц в образце взвеси - отношение значения, при котором автокорреляционная функция интенсивности рассеяния пересекает ось ординат, к его максимальному значению должно быть не менее чем 0,8.

8.2 При высокой концентрации испытуемого образца допускается его разбавление до уровня, необходимого для проведения измерений с помощью анализатора размера частиц.

8.2.1 В качестве разбавляющей жидкости должна быть использована та же жидкость, что служит дисперсионной средой представленного образца.

8.2.2 Жидкая дисперсионная среда должна обладать следующими характеристиками:

а) не растворять материал и не изменять размера частиц, взвешенных в испытуемом образце;

б) иметь показатель преломления, отличающийся от показателя преломления материала частиц, взвешенных в испытуемом образце, на более чем 0,05;

в) иметь известные значения показателя преломления и коэффициента динамической вязкости с погрешностью в пределах 0,5%;

г) должна быть чистой (без содержания загрязняющих частиц).

8.2.3 В качестве жидкой дисперсионной среды рекомендуется использовать деионизованную воду, соответствующую требованиям ГОСТ 6709, а также органические жидкости, например этанол - ГОСТ 18300 и изопропанол - ГОСТ 9805.

9 Порядок проведения измерений

9.1 Проведение измерений с помощью анализатора размера частиц включает в себя следующие этапы:

а) проверку фона в измерительном канале анализатора. Проверку фона допускается проводить с помощью разбавляющей жидкости, соответствующей требованиям, установленным в разделе 8;

б) размещение испытуемого образца в измерительной ячейке и стабилизацию теплового равновесия между испытуемым образцом и измерительной ячейкой. Колебания равновесной температуры должны быть в пределах 1°С;

в) регистрацию данных, необходимых для проведения измерений:

- обозначения испытуемого образца;

- длительности измерения;

- температуры, показателя преломления и коэффициента динамической вязкости испытуемого образца;

- длины волны лазерного излучения и угол рассеяния, если выбирают эти параметры;

г) предварительное измерение для проверки достаточности уровня концентрации (при необходимости);

д) измерение и обработку данных (измерение интенсивности рассеяния, вычисление среднего размера частице и его стандартного отклонения).

10 Правила оформления результатов измерений

Отчет об измерениях должен включать в себя результаты измерений - средний размер частиц и его стандартное отклонение, а также рекомендуется указывать следующую информацию:

- идентификационные элементы анализатора размера частиц, включая наименование изготовителя, модель и серийный номер;

- дату и время измерений;

- тип образца и его параметры (показатель преломления и коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды; концентрацию и температуру образца и т.п.);

- условия измерений.

11 Оценка неопределенности результатов измерений

11.1 Оценку стандартной неопределенности (пределы допускаемой относительной погрешности) результатов измерений размеров частиц следует проводить в соответствии с рекомендациями [1] с использованием эталонных мер размера наночастиц в жидких средах. В качестве таких мер рекомендуется применять дисперсные системы на основе полистирольного латекса. Характеристики мер и условия их применения должны быть определены в технической документации на них.

11.2 Оценку повторяемости (сходимости) и воспроизводимости измерений, если требуется, осуществляют в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2.

Библиография

[1]

Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 43-2001

Государственная система обеспечения единства измерений. Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений"