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粒子径

サブナノメートルからミリメートルの粒度分布を分析

粒子径の定義と基本的な知識

粒子径とは、粒子の形態情報の中で、粒子の大きさを何らかの方法で定義した一次元の数値、すなわち「長さ」の次元で表現したものです。粒子は、球形や立方体などの規則的な形状を持つものもあれば、不規則な形状を持つものもあります。

規則的な形状の粒子であれば、粒子径は直径や半径などの単一の値で定義することができます。しかし、不規則な形状の粒子であれば、粒子径を複数の値で定義する必要があります。

粒子径の定義には、以下の基準があります。

  • 投影面積基準:粒子の投影面積と同じ面積を持つ円の直径を粒子径とする。
  • 体積基準:粒子の体積と同じ体積を持つ球の直径を粒子径とする。
  • 沈降速度基準:粒子と同じ沈降速度を持つ球の直径を粒子径とする。
  • ふるい基準:粒子と同じふるいのメッシュサイズを通過する球の直径を粒子径とする。

この「粒子径の定義」について気になることは、「どの粒子径が正しいか」という議論ですが、結論から言えば、どの粒子径も正しいです。

なぜなら、粒子径とは必要とされる指標・目的に応じて、定義づけされるべきものだからです。

粒子径は、粒子の物理的な特性や性能に影響を与えます。例えば、粒子径が小さいほど、粒子の体積当たりの表面積(比表面積)が大きくなり、化学反応や吸着などの反応速度が速くなります。また、粒子径が大きいほど、粒子の強度や剛性が高くなります。

ミクロン粒子とナノ粒子

ミクロン粒子とは?

ミクロン粒子とは、一般には粒子径がミクロンオーダーのものを指します。ミクロンは1000分の1ミリメートルなので、ミクロン粒子の粒子径は、1ミリメートルの1000分の1程度の範囲に相当します。

ミクロン粒子は、体積当たりの表面積(比表面積)が大きくなるため、化学反応や吸着などの反応速度が速くなります。

ミクロン粒子とナノ粒子の違い

ミクロン粒子とナノ粒子の違いは、粒子径の範囲です。

ミクロン粒子とは、一般には粒子径が1マイクロメートル~数マイクロメートル程度のものを指します。一方、ナノ粒子とは、粒子径が100nm以下のものを指します。

つまり、ミクロン粒子とナノ粒子は、粒子径の範囲が一桁程度だけ異なるだけです。しかし、この違いによって、粒子の物理的な特性や性能が大きく異なります。

ナノ粒子は、ミクロン粒子と比べて、以下の点で異なる特性を持っています。

  • 比表面積が大きくなる

粒子径が小さくなるほど、体積当たりの表面積(比表面積)は大きくなります。そのため、ナノ粒子は、ミクロン粒子と比べて、さらに比表面積が非常に大きくなります。

  • 粒子径の大きさとその重要性

粒子径の大きさは、以下の点で重要です。

  • 粒子の分散性や流動性に影響を与える

粒子径が小さいほど、慣性や重力に対する粒子間の相互作用が強くなるため、分散性や流動性が悪くなり、付着性が増します。

  • 粒子の化学反応や吸着の反応速度に影響を与える

粒子径が小さいほど、粒子の比表面積が大きくなるため、化学反応や吸着の反応速度が速くなります。

  • 粒子の触媒としての性能に影響を与える

粒子径が小さいほど、粒子の比表面積が大きくなるため、触媒としての性能が向上します。

このように、粒子径の大きさは、粒子の物理的な特性や性能に大きな影響を与えます。そのため、粒子径は、さまざまな分野で重要な指標として用いられています。

粒子径の測定方法と分析

マルバーン・パナリティカルの粒子径分析機器

粒子径を測定し、粒子径が製品およびプロセスに及ぼす影響を理解することは、多くの製造会社にとって成功するために不可欠と言えます。 Malvern Panalyticalは、サブナノメートルからミリメートルまでのあらゆる種類の粒度解析と特性評価のための優れた機器を提供します。

以下の表を参考にしてニーズに適した技術と粒径の装置を選択してください。

粒径範囲*
0.1nm
1nm
10nm
100nm
1µm
10µm
100µm
1mm
10mm

*すべての粒径範囲はサンプルによって異なります。
**粒径範囲はサンプルおよびセンサーによって異なります。

粒子径分布とは?

粒子径分布とは、粒子状物質の粒子径の分布を表すものです。粒子径は、粒子の長さ、幅、高さなどの3次元の寸法の1つです。粒子は、球形や立方体などの規則的な形状を持つものもあれば、不規則な形状を持つものもあります。粒子径分布は、どの粒子径の粒子が「何個」ずつ含まれているかの分布を示す「個数基準粒子径分布」や、どの粒子径の粒子が、どれだけの体積割合で含まれているかを示す「体積基準粒子径分布」などがあります。同じサンプルでも、これらの表記の仕方によって、粒子径分布グラフは大きく異なります。このため、以下に述べる粒子径分布のパラメータも、粒子径分布の基準ごとに異なった値となります。

粒子径分布は、粒子の物理的な特性や性能に影響を与えます。例えば、粒子径が小さいほど、粒子の体積当たりの表面積(比表面積)が大きくなり、化学反応や吸着などの反応速度が速くなります。付着力が高まり、流動性が悪くなります。

平均径

平均径とは、粒子径の平均値を示す指標です。平均径は、以下の方法で計算することができます。個数基準と体積基準では異なる平均径が存在します。個数基準の平均径は、以下の式で求められます。

平均径 = ∑ (粒子径 * 粒子数) / 粒子数

ここでは、粒子径は、粒子の直径を表します。

粒子数は、粒子の個数を表します。粒子数を粒子体積に置き換えれば、体積基準の平均径となります。

メディアン径(中央値)

個数基準のメディアン径(中央値)とは、その値を境に、それより大きい粒子の個数と小さい粒子の個数が半分ずつになる粒子径を示す指標です。体積基準のメディアン径は、その値を境に、それより大きい粒子の体積割合と小さい粒子の体積割合が半分ずつになる粒子径を示す指標です。

メディアン径は、粒子径分布の累積分布関数が 0.5 となる粒子径です。

モード径(最頻値)

モード径(最頻値)とは、粒子径分布で、粒子径の出現頻度が最も高い粒子径を示す指標です。粒子径分布とは、粒子状物質の粒子径の分布を表すものです。粒子径は、粒子の長さ、幅、高さなどの3次元の寸法の1つです。粒子は、球形や立方体などの規則的な形状を持つものもあれば、不規則な形状を持つものもあります。

モード径は、以下の方法で計算することができます。

モード径 = 粒子径分布のヒストグラムで、最も高い山のピークに対応する粒子径

分布幅

分布幅は、以下の方法で評価することができます。

  • 標準偏差

粒子径分布から標準偏差を計算することで、分布幅を評価することができます。標準偏差は、粒子径分布の平均からの偏差の平均を表す指標です。標準偏差が大きいほど、分布幅が広くなります。

  • 分散

分散は、標準偏差の2乗で表されます。分散は、粒子径分布の平均からの偏差(平均値からのずれ)の二乗の平均を表す指標です。分散が大きいほど、分布幅が広くなります。

  • D10、D50、D90

粒子径分布の累積分布関数の 10%、50%、90% の値を D10、D50、D90 と呼びます。

D10 は、粒子径が D10 以下の粒子の割合が 10% となる粒子径です。
D50 は、粒子径が D50 以下の粒子の割合が 50% となる粒子径で、メディアン径とも呼ばれます。
D90 は、粒子径が D90 以下の粒子の割合が 90% となる粒子径です。

D10 と D90 の差は、粒子径分布の広さを表す指標として用いられます。個数基準と体積基準でこれらの値は異なり、個数基準のときは、Dn10、Dn50、Dn90、体積基準のときはDv10、Dv50、Dv90というように、区別して記述します。

粒子径が各分野の製品品質に与える影響

粒子径は、製品品質にさまざまな影響を与えます。

物理的な特性

粒子径は、粒子の物理的な特性に影響を与えます。例えば、粒子径が小さいほど、粒子の体積当たりの表面積(比表面積)が大きくなり、化学反応や吸着などの反応速度が速くなります。

性能

粒子径は、製品の性能に影響を与えます。例えば、塗料の粒子径が小さいほど、塗膜が均一になり、塗膜の耐久性や耐候性が向上します。また、食品の場合、粒子径が小さいほど、口当たりが滑らかになり、消化しやすくなります。

安全性

粒子径は、製品の安全性に影響を与えることもあります。例えば、粉末状の薬品の粒子径が小さすぎると、吸入による健康被害のリスクが高くなります。

具体例

粒子径が製品品質に与える影響の具体例をいくつか挙げます。

  • 塗料

塗料の粒子径が小さいほど、塗膜が均一になり、塗膜の耐久性や耐候性が向上します。また、塗料の粒子径が大きいほど、塗膜の厚みが増し、塗膜の耐摩耗性や耐傷性が向上します。

  • 食品

食品の粒子径が小さいほど、口当たりが滑らかになり、消化しやすくなります。また、食品の粒子径が大きいほど、歯ごたえが増します。

  • 医薬品

医薬品の粒子径が小さいほど、吸収率が高まり、薬効が向上します。また、医薬品の粒子径が大きいほど、安定性が向上します。

  • 化粧品

化粧品の粒子径が小さいほど、肌への浸透性が高まり、効果が高まります。

このように、粒子径は製品品質にさまざまな影響を与えるため、製品の設計や製造において、粒子径の制御が重要となります。

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