¿Qué es la Dispersión? Desarrollo de Métodos para la Optimización de la Dispersión Húmeda – Parte 2
Condiciones de Medición
Obtener resultados robustos y reproducibles de las mediciones de difracción láser requiere el uso de condiciones de medición adecuadas. Los parámetros clave incluyen:
- Rango de oscurecimiento
- Tiempo de medición
- Velocidad del agitador
Cantidad de Muestra
Para asegurar que la concentración de la muestra sea adecuada para las mediciones de difracción láser, se debe añadir suficiente muestra para lograr una buena relación señal-ruido y proporcionar una muestra representativa del material a granel. Sin embargo, se debe evitar una carga excesiva de muestra, ya que puede causar errores de medición debido a dispersión múltiple.
En los sistemas de difracción láser, la concentración de la muestra se mide mediante un parámetro conocido como oscurecimiento, que representa el porcentaje de luz láser que se pierde al pasar a través de la muestra. Cada sistema de medición contiene un grado de ruido. En el sistema Mastersizer, este ruido puede observarse como fluctuaciones aleatorias en los datos después de que se ha eliminado la señal de fondo durante la etapa de adición de la muestra (Figura 6).
Para obtener datos de dispersión estables por encima del nivel de ruido, se debe añadir suficiente muestra. Sin embargo, solo se requiere suficiente dispersión para superar el umbral de ruido. Por ejemplo, la Figura 7 muestra datos de dispersión de una muestra de 300 nm que entrega resultados estables y reproducibles al 3% de oscurecimiento.
Para partículas finas, el límite inferior de oscurecimiento está determinado por el nivel de ruido del sistema. Para partículas gruesas, el límite inferior está regido por consideraciones de muestreo más que por la relación señal-ruido. Si múltiples mediciones de materiales gruesos muestran alta variabilidad, aumentar la masa de muestra y el nivel de oscurecimiento puede mejorar la repetibilidad.
El límite superior de oscurecimiento en las mediciones de difracción láser está determinado por un efecto conocido como dispersión múltiple.
Las teorías utilizadas para interpretar los datos de difracción láser asumen que la luz que llega al detector ha sido dispersada por una sola partícula. Si la concentración de partículas se vuelve demasiado alta, la luz puede ser dispersada por múltiples partículas antes de llegar al detector.
La dispersión múltiple provoca que la luz sea detectada en ángulos de dispersión más altos. Debido a que la dispersión en ángulos altos se asocia con partículas más pequeñas, la dispersión múltiple resulta en que los tamaños de las partículas se subestimen.
La Figura 9 muestra las distribuciones de tamaño de partículas medidas a partir de la misma muestra a valores de oscurecimiento entre el 5% y el 18%. Al 5% y 7% de oscurecimiento, las distribuciones medidas son muy similares, indicando que no se está produciendo dispersión múltiple. Por encima del 9% de oscurecimiento, la forma de la distribución cambia y aparece una proporción creciente de partículas finas. Esto indica que las mediciones por encima del 9% de oscurecimiento están afectadas por dispersión múltiple y que el 9% representa el límite superior de oscurecimiento apropiado para esta muestra.
La medida en que las mediciones se ven afectadas por el muestreo o la dispersión múltiple depende del tamaño de las partículas. Las mediciones de partículas finas son generalmente más susceptibles a la dispersión múltiple, mientras que las mediciones de partículas gruesas están más influenciadas por los efectos de muestreo.
| Tipo de Partícula | Rango de Oscurecimiento Recomendado |
|---|---|
| Partículas finas | Aproximadamente 5-10% (se puede requerir menos del 5% para partículas menores de 1 μm) |
| Partículas gruesas | 5-12% |
| Muestras polidispersas | 15-20% |
Tiempo de Medición
Para las mediciones de difracción láser en húmedo, la duración de la medición debe ser lo suficientemente larga como para asegurar que una muestra representativa de partículas circule a través de la celda de medición.
El tiempo de medición requerido depende del tamaño de las partículas y de la polidispersidad de la muestra. Solo las muestras finas monodispersas requieren tiempos de medición cortos. Los materiales gruesos o las muestras con distribuciones amplias de tamaño de partícula generalmente requieren mediciones más largas.
Si mediciones repetidas de muestras gruesas o altamente polidispersas muestran una variabilidad significativa, aumentar el tiempo de medición puede mejorar la repetitibilidad.
La Figura 10 muestra la distribución del tamaño de partícula de una muestra que contiene partículas que van desde 1 μm a 700 μm. Se realizaron mediciones repetidas utilizando tiempos de medición que van de 1 a 20 segundos.
La Figura 11 demuestra la reducción en la desviación estándar relativa observada en cinco mediciones repetidas a medida que aumenta el tiempo de medición. La variabilidad se mantiene dentro de los límites aceptables definidos por el estándar ISO para tiempos de medición mayores a 10 segundos.
Velocidad del Agitador
El agitador en una unidad de dispersión húmeda debe mantener una dispersión homogénea y asegurar que la muestra que pasa por la celda de medición sea representativa del material a granel.
Para materiales grandes o de alta densidad, se debe realizar una titulación de la velocidad del agitador para confirmar que todas las partículas permanezcan suspendidas durante la medición.
Para muestras de emulsión, la optimización de la velocidad del agitador puede ayudar a identificar el punto en el cual las gotas comienzan a romperse debido a la agitación excesiva.
La Figura 12 muestra los resultados de una titulación de velocidad del agitador realizada sobre una muestra de polvo de cobre. A medida que la velocidad del agitador aumenta, las partículas más grandes permanecen suspendidas en la dispersión, resultando en un aumento en el tamaño de partícula medido.
Para esta muestra, se recomiendan velocidades del agitador de más de 2500 rpm porque el tamaño de partícula medido permanece estable dentro de esta región de operación.
Conclusión
La capacidad de obtener resultados reproducibles de las mediciones de difracción láser en húmedo está determinada por tres factores clave:
- Obtener una muestra representativa del material a granel
- Lograr un estado estable de dispersión
- Establecer condiciones de medición apropiadas
Este artículo ha descrito una serie de pruebas prácticas que pueden utilizarse para evaluar cómo estos factores influyen en la calidad de la medición.
Llevar a cabo estas pruebas mejora la comprensión del material que se está midiendo y puede mejorar significativamente la reproducibilidad de los resultados de tamaño de partícula.
Desarrollar un método de medición robusto también ayuda a asegurar que los resultados permanezcan insensibles a pequeñas variaciones en las condiciones de operación a lo largo de la vida útil del instrumento y el método analítico, proporcionando confianza en que el método puede mantenerse y usarse de manera confiable en el futuro.
Referencias
[1] ISO 13320 (2009). Análisis del Tamaño de Partículas — Métodos de Difracción Láser — Parte 1: Principios Generales.
Lectura Adicional
Este artículo exploró cómo las condiciones de medición como el oscurecimiento, la duración de la medición y la velocidad del agitador afectan la calidad y reproducibilidad de las mediciones de tamaño de partícula.
Para comenzar con los fundamentos del desarrollo de métodos para la dispersión en húmedo, lea Parte 1: ¿Qué es la Dispersión? Desarrollo de Métodos para la Optimización de la Dispersión Húmeda – Parte 1.
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