Наиболее распространенными методами определения распределения частиц по размерам являются динамический анализ изображений (ДАИ), статическое лазерное рассеяние света (СРС, также называемое лазерной дифракцией), динамическое рассеяние света (ДРС) и ситовый анализ. В данной статье представлены преимущества и недостатки каждой методики, а также их сопоставимость между собой. Каждый метод охватывает характерный диапазон размеров, в пределах которого возможно измерение. Эти диапазоны частично перекрываются. ДИА, СРС и ситовой анализ, например, все могут измерять частицы в диапазоне от 1 мкм до 3 мм. Однако результаты измерения одного и того же образца могут значительно отличаться. В таблице ниже представлен обзор диапазонов измерений различных технологий и связанных с ними анализаторов компании Microtrac.
Ситовый анализ по-прежнему является традиционным и наиболее часто используемым методом определения размера частиц. Колонна сит состоит из нескольких сит с увеличивающимся размером отверстий, уложенных друг на друга, и образец помещается на самое верхнее сито. Сита зажимают к приводу просеивающей машины и запускают для работы обычно на 5 – 10 минут. В результате частицы распределяются по фракциям на ситах в соответствии с их размером. В идеале частицы проходят через наименьшее возможное отверстие сита с наименьшей проекционной поверхностью. Если взять в качестве модели кубические частицы, то это соответствует длине ребра Куба. Для линзовидных частиц размер, определяемый методом ситового анализа, будет представлять собой величину между толщиной и диаметром линзы, поскольку частица ориентирована по диагонали к отверстию сита (см. рисунок ниже). Таким образом, ситовый анализ-это метод, который измеряет частицы в их предпочтительной ориентации с тенденцией определять в основном ширину частиц.
Ситовый анализ проводится до момента, когда масса образца на соответствующих ситах больше не изменяется (= постоянная масса). Каждое сито взвешивается, и объем каждой фракции рассчитывается в процентах по весу, обеспечивая распределение по массе. Разрешающая способность ситового анализа ограничена количеством получаемых фракций крупности. Стандартная колонна сит состоит максимум из 8 сит, что означает, что распределение частиц по размерам основано только на 8 точках данных. Автоматизация процедуры вряд ли возможна, что делает ее достаточно трудоемкой. Технологическими этапами ситового анализа являются начальное взвешивание, просеивание в течение 5-10 минут, обратное взвешивание и очистка сит. Наиболее распространенными источниками ошибок являются перегрузка сит (блокировка отверстий сит, слишком грубые результаты); старые, изношенные или поврежденные сита (слишком тонкие результаты) или ошибки в передаче данных. Следует также учитывать, что размеры ячеек новых стандартных сит также подлежат определенным допускам. Например, средний реальный размер ячейки сита размером 1 мм может отклоняться примерно на ±30 мкм, а для сита размером 100 мкм-на ±5 мкм (т. е. средний реальный размер апертуры лежит между 95 и 105 мкм).
Однако это всего лишь среднее значение, которое подразумевает, что некоторые апертуры могут быть еще больше.
При динамическом анализе изображений большое количество частиц перемещается мимо системы камер и анализируется в реальном времени. Современные системы ДАИ получают несколько сотен кадров в секунду и оценивают миллионы отдельных частиц в течение нескольких минут. Для этого необходимы быстрые камеры, яркие источники света, короткое время экспозиции и мощное программное обеспечение. На рисунке ниже показан принцип измерения анализатора CAMSIZER X2 в качестве примера для анализатора ДАИ.
В отличие от ситового анализа ДАИ измеряет частицы в совершенно случайной ориентации. На основе изображений частиц определяются различные параметры размеров и формы. Типичными параметрами размера являются, например, ширина, длина и диаметр эквивалентного круга (см. рисунок ниже).
Параметры для описания формы частиц включают сферичность, симметрию, выпуклость и соотношение сторон. Существенной характеристикой анализаторов работающих на принципе ДАИ является чрезвычайно высокая чувствительность обнаружения негабаритных размеров частиц. Прибор CAMSIZER® P4, например, предназначен для обнаружения каждой отдельной частицы образца; модель CAMSIZER® X2 имеет предел обнаружения 0,01 % для негабаритных частиц. Разрешение систем ДАИ также непобедимо: самые малые разности размеров в пределах микрометрового диапазона надежно обнаружены и мультимодальные распределения разрешены без сбоев. Если анализаторы ДАИ сравниваются по результатам измерений с ситовым анализом, то лучшим параметром является “ширина” частицы. Однако при измерении частиц неправильной формы все еще существуют систематические различия в полученных результатах, поскольку анализаторы ДАИ измеряет частицы в случайной ориентации. Различия в распределении частиц по размерам характерны для каждой определенной формы частиц. Программное обеспечение CAMSIZER® имеет алгоритмы, позволяющие почти на 100% соотнести результаты ДАИ с результатами ситового анализа (см. рис. ниже). Эта процедура часто применяется в приложениях анализа размера частиц для контроля качества, поскольку на рынке многие продукты анализируются различными лабораториями с различными методами измерения, что создает необходимость в сопоставимости и мощное программное обеспечение является необходимым условием для этого. На рисунке ниже показан принцип измерения CAMSIZER X2 в качестве примера для анализатора ДАИ.
При статическом анализе светорассеивания, также называемом лазерной дифракцией, размер частиц измеряется косвенно путем обнаружения распределения интенсивности лазерного излучения, рассеянного частицами под разными углами. На рисунке ниже показан анализатор Microtrac SYNC - это ультрасовременный лазерный гранулометр с уникальным трех-лазерной системой и с дополнительным модулем камеры.
1. Камера, 2. Лазер 1, 3. Лазер 2, 4. Детекторная решетка, 5. Диаметр источника света, 6. Детекторная решетка, 7. Лазер 3
Этот метод основан на явлении, что свет рассеивается частицами, и корреляция между распределением интенсивности и размером частиц хорошо известна. Проще говоря, крупные частицы рассеивают свет на небольшие углы, в то время как мелкие частицы создают большие углы рассеяния. Крупные частицы создают довольно резкие распределения интенсивности с характерными максимумами и минимумами под определенными углами, картина рассеяния света мелкими частицами становится все более диффузной, а общая интенсивность уменьшается. Особенно трудно измерить частицы разного размера в полидисперсном образце, поскольку отдельные сигналы рассеяния света частиц накладываются друг на друга. Статическое лазерное рассеяние света (СРС) - это косвенный метод, который вычисляет распределение частиц по размерам на основе наложенных друг на друга рассеянных световых сигналов, вызванных целой группой частиц. Кроме того, для получения достоверных результатов расчета необходимо знать оптические свойства материала (показатель преломления) для малых частиц. Поскольку теория СРС основана на предположении о сферических частицах, оценка формы невозможна. Недостатком метода СРС является относительно низкое разрешение и чувствительность. Негабаритные частицы также могут быть обнаружены только современными анализаторами при порядка 2 объемных %. Для разрешения мультимодальных распределений размер этих двух компонентов должен отличаться как минимум в 3 раза. Большое преимущество лазерной дифракции заключается в том, что это быстрый, устоявшийся метод, обеспечивающий большую гибкость. С диапазоном измерений от нескольких нанометров до миллиметров, этот метод может быть использован для большинства требований в области технологии частиц. Анализ изображения не может быть использован для частиц <1 мкм. Анализы с помощью СРС -устройств просты в выполнении и могут быть в значительной степени автоматизированы. меньше всего по фактору 3.
На рисунке выше слева показано сравнение методов СРС, ДАИ и ситового анализа на примере образца молотого кофе. Анализ на ситах обеспечивает самый точный результат, измерение ширины CAMSIZER® X2 (ДАИ) дает сопоставимый результат при рассмотрении ширины частиц. Лазерный анализ не позволяет сравнивать результаты с результатами рассева, результат примерно соответствует параметру x area (диаметру окружности с той же площадью) у ДАИ. Однако в результат включаются все размеры частиц, которые затем связываются со сферическими частицами. Именно поэтому СРС всегда обеспечивает более широкие распределения, чем анализ изображений. Это становится еще более ясным при правильном изображении. Здесь образец целлюлозных волокон был измерен с помощью анализатора CAMSIZER® X2 и сравним с лазерным гранулометром. В то время как анализ изображений различает толщину и длину волокна, это невозможно сделать с помощью лазерной дифракции. Кривая измерения СРС первоначально проходит параллельно измерению ширины, а затем приближается к "длине волокна".
Динамическое рассеяние света основано на броуновском движении частиц в суспензиях. Более мелкие частицы движутся быстрее, более крупные-медленнее. Свет, рассеянный этими частицами, содержит информацию о скорости диффузии и, следовательно, о распределении частиц по размерам. Размер частиц определяется гидродинамическим диаметром. Уравнение Стокса-Эйнштейна описывает зависимость между размером частиц, скоростью диффузии, температурой и вязкостью:
Гидродинамический диаметр ДРС обычно несколько больше среднего размера частиц, определяемого статическим рассеянием света. ДРС особенно подходит для анализа наночастиц, где статическое рассеяние света достигает своих пределов. С другой стороны, ДРС работает только для частиц размером до 10 мкм и становится все более неточным выше 1 мкм. Кроме того, многие анализаторы ДРС предлагают возможность определения Дзета-потенциала и молекулярной массы.
1. Детектор | 2. Отраженный лазерный луч и рассеянный свет | 3. Сапфировое окно | 4. Y-лучевой делитель | 5. Линзы с градиентным показателем преломления | 6. Образец | 7. Лазерный луч в оптоволокне | 8. Лазер
В конечном счете, выбор, использовать ли простое решение - рассев или инвестировать в лазерную дифракцию или динамический анализ изображений, будет зависеть от объема анализов, бюджета и имеющегося персонала, а также от любых конкретных международных стандартов или требований заказчиков, с которыми вы столкнетесь. Почему бы не обратиться в компанию Microtrac за бесплатной консультацией, чтобы узнать, какое решение принесет нужный вам результат и окупаемость инвестиций?