Qu’est-ce que la Dispersion ? Développement de Méthodes pour l’Optimisation de la Dispersion Humide – Partie 2
Conditions de Mesure
Obtenir des résultats robustes et reproductibles à partir de mesures de diffraction laser nécessite l’utilisation de conditions de mesure appropriées. Les paramètres clés incluent :
- Gamme d’occultation
- Durée de la mesure
- Vitesse d’agitation
Quantité d’Échantillon
Pour garantir que la concentration de l’échantillon est appropriée pour les mesures de diffraction laser, il est nécessaire d’ajouter suffisamment d’échantillon pour obtenir un rapport signal/bruit adéquat et fournir un échantillon représentatif du matériau en vrac. Cependant, une charge excessive en échantillon doit être évitée car elle peut entraîner des erreurs de mesure causées par la diffusion multiple.
Dans les systèmes de diffraction laser, la concentration de l’échantillon est mesurée par un paramètre connu sous le nom d’occultation, qui représente le pourcentage de lumière laser perdue lors de son passage à travers l’échantillon. Chaque système de mesure contient un certain degré de bruit. Dans le système Mastersizer, ce bruit peut être observé sous forme de fluctuations aléatoires dans les données après que le signal de fond a été retiré lors de l’étape d’ajout de l’échantillon (Figure 6).
Pour obtenir des données de diffusion stables au-dessus du niveau de bruit, suffisamment d’échantillon doit être ajouté. Cependant, seul un niveau de diffusion suffisant pour dépasser le seuil de bruit est nécessaire. Par exemple, la Figure 7 montre des données de diffusion provenant d’un échantillon de 300 nm qui fournit des résultats stables et reproductibles à 3% d’occultation.
Pour les particules fines, la limite inférieure d’occultation est donc déterminée par le niveau de bruit du système. Pour les grosses particules, la limite inférieure est régie par des considérations d’échantillonnage plutôt que par le rapport signal/bruit. Si plusieurs mesures de matériaux grossiers montrent une grande variabilité, augmenter la masse d’échantillon et le niveau d’occultation peut améliorer la répétabilité.
La limite supérieure d’occultation dans les mesures de diffraction laser est déterminée par un effet connu sous le nom de diffusion multiple.
Les théories utilisées pour interpréter les données de diffraction laser supposent que la lumière atteignant le détecteur a été diffusée par une seule particule. Si la concentration de particules devient trop élevée, la lumière peut être diffusée par plusieurs particules avant d’atteindre le détecteur.
La diffusion multiple provoque la détection de la lumière à des angles de diffusion plus élevés. Comme la diffusion à angle élevé est associée aux particules plus petites, la diffusion multiple conduit à une sous-estimation des tailles de particules.
La Figure 9 montre les distributions de taille de particules mesurées à partir du même échantillon à des valeurs d’occultation comprises entre 5% et 18%. À 5% et 7% d’occultation, les distributions mesurées sont très similaires, indiquant que la diffusion multiple ne se produit pas. Au-delà de 9% d’occultation, la forme de la distribution change et une proportion croissante de particules fines apparaît. Cela indique que les mesures au-dessus de 9% d’occultation sont affectées par la diffusion multiple et que 9% représente la limite supérieure d’occultation appropriée pour cet échantillon.
L’étendue à laquelle les mesures sont affectées par l’échantillonnage ou la diffusion multiple dépend de la taille des particules. Les mesures de particules fines sont généralement plus sensibles à la diffusion multiple, tandis que les mesures de particules grossières sont plus fortement influencées par les effets d’échantillonnage.
| Type de Particule | Gamme d’Occultation Recommandée |
|---|---|
| Particules fines | Environ 5–10% (moins de 5% peut être nécessaire pour les particules de moins de 1 μm) |
| Particules grossières | 5–12% |
| Échantillons polydisperses | 15–20% |
Durée de la Mesure
Pour les mesures de diffraction laser humide, la durée de la mesure doit être suffisamment longue pour garantir qu’un échantillon représentatif de particules circule dans la cellule de mesure.
Le temps de mesure requis dépend de la taille des particules et de la polydispersité de l’échantillon. Seuls les échantillons monodispersés fins nécessitent des temps de mesure courts. Les matériaux grossiers ou les échantillons avec de larges distributions de taille de particules nécessitent généralement des mesures plus longues.
Si des mesures répétées de matériaux grossiers ou hautement polydisperses montrent une variabilité significative, l’augmentation du temps de mesure peut améliorer la répétabilité.
La Figure 10 montre la distribution de taille de particules d’un échantillon contenant des particules allant de 1 μm à 700 μm. Des mesures répétées ont été effectuées en utilisant des temps de mesure allant de 1 à 20 secondes.
La Figure 11 démontre la réduction de l’écart type relatif observé au cours de cinq mesures répétées à mesure que le temps de mesure augmente. La variabilité reste dans les limites acceptables définies par la norme ISO pour les temps de mesure supérieurs à 10 secondes.
Vitesse d’Agitation
L’agitateur dans une unité de dispersion humide doit maintenir une dispersion homogène et garantir que l’échantillon passant par la cellule de mesure est représentatif du matériau en vrac.
Pour les matériaux de grande taille ou de haute densité, une titration de la vitesse d’agitation doit être effectuée pour confirmer que toutes les particules restent en suspension pendant la mesure.
Pour les échantillons d’émulsion, l’optimisation de la vitesse d’agitation peut aider à identifier le point auquel les gouttelettes commencent à se décomposer en raison d’une agitation excessive.
La Figure 12 montre les résultats d’une titration de vitesse d’agitation effectuée sur un échantillon de poudre de cuivre. À mesure que la vitesse d’agitation augmente, les particules plus grosses restent suspendues dans la dispersion, ce qui entraîne une augmentation de la taille de particules mesurée.
Pour cet échantillon, des vitesses d’agitation supérieures à 2500 tr/min sont recommandées car la taille de particule mesurée reste stable dans cette région de fonctionnement.
Conclusion
La capacité d’obtenir des résultats reproductibles à partir de mesures de diffraction laser humide est déterminée par trois facteurs clés :
- Obtenir un échantillon représentatif du matériau en vrac
- Atteindre un état stable de dispersion
- Établir des conditions de mesure appropriées
Cet article a décrit une série de tests pratiques qui peuvent être utilisés pour évaluer comment ces facteurs influencent la qualité des mesures.
La réalisation de ces tests améliore la compréhension du matériel mesuré et peut améliorer de manière significative la reproductibilité des résultats de taille de particules.
Développer une méthode de mesure robuste aide également à garantir que les résultats restent insensibles aux petites variations des conditions de fonctionnement tout au long de la durée de vie de l’instrument et de la méthode analytique, offrant ainsi l’assurance que la méthode peut être maintenue et utilisée de manière fiable à l’avenir.
Références
[1] ISO 13320 (2009). Analyse de la Taille des Particules — Méthodes de Diffraction Laser — Partie 1 : Principes Généraux.
Lecture Complémentaire
Cet article a exploré comment des conditions de mesure telles que l’occultation, la durée de mesure et la vitesse d’agitation affectent la qualité et la reproductibilité des mesures de taille de particules.
Pour commencer par les bases du développement de méthodes de dispersion humide, lisez la Partie 1 : Qu’est-ce que la Dispersion ? Développement de Méthodes pour l’Optimisation de la Dispersion Humide – Partie 1.
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