¿Qué es la dispersión? Desarrollo de métodos para la optimización de la dispersión húmeda-2

Medición de tamaño de partículas por difracción láser

Desarrollo de métodos de dispersión húmeda o líquida 

 Condiciones de medición

También es importante establecer condiciones de medición adecuadas para obtener resultados sólidos de la medición de difracción láser. Los objetivos de establecimiento son los siguientes.

 Rango de oscurecimiento
 Tiempo de medición
 Velocidad de agitación

Cantidad de muestra a medir

La concentración de la muestra debe ser adecuada para la medición de difracción láser, y se debe agregar una cantidad suficiente de muestra para obtener una buena relación señal-ruido o una muestra representativa de material a granel, pero no tanta como para que la medición se vea afectada por el multiesparcimiento.

En un sistema de difracción láser, la concentración de la muestra se mide por un parámetro llamado oscurecimiento, que representa el porcentaje de luz láser perdida al atravesar la muestra.

Todo sistema de medición tiene una cantidad de ruido, que en el Mastersizer se identifica como la variabilidad aleatoria de los datos mostrada después de que la señal de fondo ha sido sustraída al agregar la muestra (ver Figura 6).

Por lo tanto, para obtener datos de señal de dispersión estables por encima de este nivel de variabilidad aleatoria, debe agregarse suficiente muestra.

El sistema no necesita mucho esparcimiento sobre el nivel de ruido. Por ejemplo, Figura 7 muestra los datos de dispersión obtenidos de una muestra de 300 nm que proporciona resultados consistentes a un oscurecimiento del 3%. Por esta razón, el límite inferior de oscurecimiento para partículas finas está definido por el nivel de ruido del sistema.

Para las partículas gruesas, el límite inferior de oscurecimiento es definido por el muestreo en lugar de la relación señal-ruido. Si se observa alta variabilidad en los resultados de medición de varias muestras representativas de material grueso, intente aumentar la masa de las muestras y el oscurecimiento donde se realice la medición.

El límite superior de oscurecimiento en la medición de difracción láser está definido por un efecto conocido como multiesparcimiento. La teoría utilizada para interpretar los datos de dispersión en un sistema de difracción asume que la luz láser que incide en el detector es dispersada por una sola partícula.

Cuando la concentración de partículas en la celda es demasiado alta, es probable que la luz láser haya sido dispersada por más de una partícula antes de incidir en el detector. Este efecto está ilustrado en la figura abajo.

Este fenómeno de multiesparcimiento causa que la luz láser se disperse en ángulos más altos. Como la dispersión a ángulos altos está asociada con partículas más finas, el multiesparcimiento da como resultado un tamaño de partícula calculado que es demasiado bajo.

Figura 9 muestra la distribución de tamaños de partículas de la misma muestra medida a oscurecimientos del 5% y del 18%. Como las distribuciones de tamaño medidas a 5% y 7% de oscurecimiento son muy similares, podemos concluir que no hay multiesparcimiento en este rango de oscurecimiento. Si el oscurecimiento aumenta más allá del 9%, la forma de la distribución cambia y aparecen partículas más finas.

A partir de esto, podemos concluir que las mediciones están influenciadas por multiesparcimiento si el oscurecimiento supera el 9%, y el límite superior adecuado de oscurecimiento para esta muestra es 9%.

El grado en que las mediciones pueden verse influenciadas por multiesparcimiento o muestreo depende del tamaño de partícula del material bajo medición. Las mediciones de partículas finas son más susceptibles al multiesparcimiento, mientras que las de partículas gruesas son más afectadas por el muestreo. La Tabla 3 a continuación presenta los rangos recomendados de oscurecimiento según el tamaño de partícula.

Tabla 3: Rangos de oscurecimiento recomendados según el tamaño de partícula

Tiempo de medición

El tiempo de medición en la difracción por láser húmeda debe ser lo suficientemente largo como para que una muestra representativa de partículas de la unidad de dispersión circule por la celda de medición. El tiempo necesario varía en función del tamaño y polidispersidad de las partículas de la muestra.

La medición corta solo es necesaria para muestras monodispersas finas, mientras que para partículas gruesas o distribuciones amplias se requieren mediciones más largas. Si se observa alta variabilidad en mediciones repetidas de la misma muestra para partículas grandes o muestras polidispersas, aumentar el tiempo de medición puede mejorar la repetibilidad.

Figura 10 muestra la distribución de tamaños de partículas de una muestra que contiene material con una amplia distribución de tamaños (de 1μm a 700μm). Se realizaron mediciones repetidas para esta muestra usando un rango de tiempo de medición de 1 a 20 segundos.

Figura 11 muestra la disminución de la desviación estándar relativa observada en 5 mediciones repetidas a medida que aumenta el tiempo de medición. La variabilidad no supera los niveles aceptables definidos en la norma ISO [1] para tiempos de medición mayores a 10 segundos.

Velocidad del agitador

El agitador de un dispositivo de dispersión húmeda debe asegurar que la dispersión sea uniforme y que la muestra que pasa a través de la celda de medición sea representativa. Para materiales grandes o de alta densidad, se debe ajustar la velocidad de agitación para asegurar que todas las partículas estén en suspensión. En el caso de muestras emulsionadas, se puede establecer mediante ajuste de la velocidad de agitación a qué velocidad comienzan a romperse las gotas.

Figura 12 muestra los resultados del ajuste de velocidad de agitación para una muestra de polvo de cobre. A medida que aumenta la velocidad de agitación, el tamaño de partícula medido aumenta porque más partículas grandes están en suspensión. Para esta muestra, se recomienda una velocidad de agitación superior a 2500 rpm porque el tamaño de partícula es estable en este rango.

Conclusión

La capacidad de obtener resultados reproducibles a partir de mediciones de difracción láser húmeda depende de tres factores principales.

El primer factor es tomar una muestra representativa del material a granel,

El segundo factor es lograr un estado estable de dispersión,

El tercer factor es establecer condiciones de medición adecuadas.

Esta nota de aplicación ha tratado las pruebas que se pueden realizar para evaluar cómo estos factores afectan las muestras.

Realizar algunas de las pruebas descritas aquí puede mejorar la comprensión del material sujeto a medición y mejorar la reproducibilidad de los resultados de tamaños de partículas.

Además, desarrollar métodos robustos proporciona la confianza de que los métodos desarrollados serán mantenidos y utilizados en el futuro al no ser sensibles a pequeños cambios en las condiciones de medición experimentadas durante el ciclo de vida del equipo y los métodos.

Referencias

[1] ISO13320(2009). Análisis de tamaño de partícula – Método de difracción láser, Parte 1: Principios generales