Was ist Verteilung? Entwicklung von Methoden zur Optimierung der Nassverteilung-2

Für die Laserbeugungspartikelgrößenbestimmung

Entwicklung von Methoden zur Nass- oder Flüssigkeitsverteilung 

 Messbedingungen

Um robuste Ergebnisse aus der Laserbeugungsmessung zu erhalten, ist es wichtig, die richtigen Messbedingungen festzulegen. Die Einstellung umfasst Folgendes:

 Bereich der Obskuration
 Messzeit
 Rührgeschwindigkeit

Menge der zu messenden Probe

Um eine geeignete Probengröße für die Laserbeugungsmessung zu gewährleisten, sollte man so viel Probe hinzufügen, dass man ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis oder repräsentative Proben der Großmenge erhält, jedoch nicht so viel, dass Mehrfachstreuung die Messung beeinflusst.

In einem Laserdiffraktionssystem wird die Konzentration der Probe durch den Parameter Obskuration gemessen, der den Verlustanteil des Laserlichts darstellt, das die Probe passiert hat.

In jedem Messsystem gibt es ein gewisses Maß an Rauschen, und bei der Mastersizer-Messung kann man das Rauschen durch zufällige Schwingungen der Daten nach Beseitigung des Hintergrundsignals bei der Probenzugabe ermitteln (siehe Abbildung 6).

Um stabile Streulichtsignaldaten über diesem zufälligen Schwankungsniveau zu erhalten, muss daher genug Probe hinzugefügt werden.

Das System benötigt nicht viel Streuung über dem Rauschpegel. Zum Beispiel zeigt Abbildung 7 Streudaten von einer 300 nm Probe, die bei 3 % Obskuration stabile, reproduzierbare Ergebnisse liefert. Aus diesem Grund wird bei feinen Partikeln die untere Obskurationsgrenze durch das Rauschlevel des Systems definiert.

Bei groben Partikeln wird die untere Obskurationsgrenze durch die Probenahme statt durch das Signal-Rausch-Verhältnis definiert. Zeigt die Messung mehrerer Proben von grobem Material eine hohe Variabilität, erhöhen Sie die Masse der Proben und die bei der Messung erzielte Obskuration.

Die obere Obskurationsgrenze bei Laserbeugungsmessungen wird durch eine Wirkung namens Mehrfachstreuung definiert. Die Theorie, die in Beugungssystemen zur Interpretation der Streudaten verwendet wird, geht davon aus, dass das Laserlicht von einem einzigen Partikel gestreut wurde.

Ist die Partikelkonzentration in der Zelle zu hoch, ist es sehr wahrscheinlich, dass das Laserlicht von mehr als einem Partikel gestreut wurde, bevor es den Detektor erreicht. Diese Wirkung wird unten im Bild dargestellt.

Dieses Phänomen der Mehrfachstreuung führt dazu, dass das Laserlicht in größeren Winkeln gestreut wird. Da Streuung bei größeren Winkeln mit feineren Partikeln verbunden ist, ergibt die Mehrfachstreuung zu kleine Partikelgrößen.

Abbildung 9 zeigt die Partikelgrößenverteilung derselben Probe bei 5 % bis 18 % Obskuration. Da sich die bei 5 % und 7 % Obskuration gemessenen Größenverteilungen sehr ähneln, kann man schließen, dass in diesem Obskurationsbereich keine Mehrfachstreuung vorhanden ist. Steigt die Obskuration über 9 %, ändert sich die Verteilungsform und feinere Partikel erscheinen.

Daraus lässt sich schließen, dass Messungen über 9 % von Mehrfachstreuung beeinflusst werden und die obere Obskurationsgrenze für diese Probe bei 9 % liegt.

Der Grad, zu dem Messungen von Mehrfachstreuung oder Probenahme beeinflusst werden können, hängt von der Partikelgröße des zu messenden Materials ab. Feine Partikel sind stärker von Mehrfachstreuung betroffen, während grobe Partikel mehr durch die Probenahme beeinflusst werden. Die empfohlene Obskurationsspanne, die je nach Partikelgröße variiert, ist in der folgenden Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Empfohlener Obskurationsbereich je nach Partikelgröße

Messzeit

Die Messzeit bei der Nasensugationslaserbeugung muss ausreichend lang sein, damit repräsentative Proben der Partikel aus der Dispergiereinheit durch die Messzelle zirkulieren können. Die benötigte Zeit variiert je nach Partikelgröße und Polydispersität der Probe.

Nur bei feinen monodispersen Proben sind kurze Messungen erforderlich; bei groben Partikeln oder breiten Verteilungen sind längere Messungen erforderlich. Wenn bei denselben Proben von großen Partikeln oder polydispersen Proben hohe Variabilität auftritt, kann die Verlängerung der Messzeit die Reproduzierbarkeit verbessern.

Abbildung 10 zeigt die Partikelgrößenverteilung einer Probe, die Material mit einem breiten Größenbereich (1 μm bis 700 μm) enthält. Wiederholte Messungen wurden an dieser Probe mit Messzeiten zwischen 1 Sekunde und 20 Sekunden durchgeführt.

Abbildung 11 zeigt die Abnahme der relativen Standardabweichung bei fünffacher Wiederholungsmessung mit zunehmender Messzeit. Die Variabilität liegt bei Messzeiten über 10 Sekunden nicht außerhalb des akzeptablen Bereichs, der in der ISO-Norm [1] definiert ist.

Rührergeschwindigkeit

Der Rührer in der Nassdispersionseinheit muss die Gleichmäßigkeit der Verteilung sicherstellen und sicherstellen, dass die durch die Messzelle zirkulierende Probe repräsentativ ist. Bei großen oder dichten Materialien sollte eine Rührergeschwindigkeit dosiert werden, um sicherzustellen, dass alle Partikel in der Probe suspendiert sind. Bei Emulsionsproben zeigt die Dosierung der Rührergeschwindigkeit das Ausmaß, bei dem Tröpfchen zu zerbrechen beginnen.

Abbildung 12 zeigt die Ergebnisse der Dosierung der Rührergeschwindigkeit für eine Kupferpulverprobe. Da mit zunehmender Rührergeschwindigkeit mehr Partikel in der Probe suspendiert werden, nimmt die gemessene Partikelgröße zu. Insbesondere für diese Probe wird eine Rührergeschwindigkeit von über 2500 U/min empfohlen, da die Partikelgröße bei dieser Geschwindigkeit stabil ist.

Fazit

Ob wiederholbare Ergebnisse mit der Nasslaserbeugungsmessung erzielt werden können, wird von drei Hauptfaktoren bestimmt.

Der erste Faktor ist die Repräsentativität der Probenahme einer Großmenge;

der zweite Faktor ist die Erreichung eines stabilen Zustands der Verteilung;

der dritte Faktor ist die richtige Einstellung der Messbedingungen.

In dieser Anwendungshinweis wird erläutert, welche Tests zur Bewertung des Einflusses dieser Faktoren auf die Probe durchgeführt werden können.

Durch die Durchführung einiger der hier beschriebenen Tests können Sie Ihr Verständnis des zu messenden Materials verbessern und die Reproduzierbarkeit der Partikelgrößenergebnisse erhöhen.

Wenn Sie auch eine robuste Methode entwickeln, können Sie sicherstellen, dass die Partikelgrößenergebnisse nicht anfällig für kleine Änderungen der Messbedingungen sind, die während des gesamten Lebenszyklus des Geräts und der Methode auftreten können, und die Entwicklung Ihrer Methode gepflegt wird und in Zukunft weiterhin verwendet wird.

Referenzen

[1] ISO13320(2009). Partikelgrößenanalyse – Laserbeugungsverfahren, Teil 1: Allgemeine Prinzipien