Szemcsék méretének meghatározására használt leggyakoribb módszerek a dinamikus képfeldolgozás (DIA = dynamic image analysis), a sztatikus lézerfényszórás (vagy -elhajlás) (SLS = static laser light scattering) és a szitaelemzés. Ez a cikk bemutatja az egyes módszerek előnyeit és hátrányait, egymással való összevethetőségüket ill. részletezi néhány alkalmazási példájukat.
Munkatársaink szívesen adnak tanácsot készülékeinkről és alkalmazási lehetőségeikről.
A szitaelemzés még mindig a hagyományos és a legáltalánosabban használt módszer a szemcsék mérete meghatározásához. Ennek során egyre növekvő lyukméretű szitákból szitatornyot építenek és a legfelső szitára helyezik fel a mintát.
A szitatornyot szitarázóra rögzítik és rendszerint 5 – 10 percig rázatják. Ennek hatására a szemcsék méretük szerint szétválnak (frakcionálódnak) a torony szitáin.
A szemcsék "méretét" annak a legkisebb négyzetes szitalyuknak az oldalhosszúsága adja meg, melyen a szemcsék még képesek átjutni. Ez a "méret" kocka alakú szemcsék esetén egyértelmű: a kocka fizikai élhosszának felel meg. Gömb alakú szemcséknél is egyértelmű a helyzet: a szitalyuk mérete a szabályos szemcse fizikai átmérője értékét adja meg. Szabálytalan, pl. lencse alakú szemcsék esetén azonban a szitaelemzéssel meghatározott "méret" a lencse fizikai magassága/vastagsága és átmérője értéke közé esik, a szemcse ugyanis a szitalyukhoz képest átlósan elhelyeződve is képes átjutni rajta (lásd jobboldali ábrát).
A szitaelemzés a szemcsék méretét bizonyos preferelált elhelyezkedésükben méri meg, ez a "méret" a szemcsék szélességének ("width") felel meg.
A szitálást addig végzik, míg a szétszitált frakciók súlya többé már nem változik (= súlyállandóság). Ezután lemérik az egyes sziták súlyát és kiszámítják az egyes frakciók súly%-ban megadott eloszlását.
A szitaelemzés felbontását korlátozza a felhasználható sziták száma. A standard szitatorony max. 8 szitából állhat, ez azt jelenti, hogy a szemcseméret eloszlása csak 8 adatponton alapul. Maga a művelet alig automatizálható és ezért meglehetősen időigényes. A szitaelemzés lépései: sziták tárasúlyai lemérése, 5 – 10 perc szitálás, sziták súlyai visszamérése és sziták tisztítása.
A művelet során leggyakrabban elkövetett hibák: a sziták túlterhelése (szitalyukak eltömődése, hibásan túl nagy szemcseméretek); régi, szakadt vagy sérült sziták alkalmazása (hibásan túl kicsi szemcseméretek) és a súlyadatok hibás átírása. Azt is figyelembe kell venni, hogy még a szabványnak megfelelő, új sziták lyukméretei is csak bizonyos tűréshatárral helyes értékűek.
Pl. egy névlegesen 1 mm lyukméretű szita valójában átlagosan ±30 µm mértékben eltérhet ettől. 100 µm lyukméretnél ez a megengedett eltérés ±5 µm (azaz az ilyen valódi sziták átlagos lyukmérete 95 -105 µm között lehet). És ez csak az átlagértékre vonatkozik, ami azt jelenti, hogy a néhány szitalyuk mérete még ennél is nagyobb mértékben eltérhet.
A dinamikus képalkotás (DIA) eljárásban viszonylag rövid idő alatt (2-5 perc) nagyszámú szemcse halad el egy kamerarendszer előtt és analízisük valós időben történik.
A modern DIA készülékek másodpercenként több száz fénykép felvételére és néhány perc alatt milliónyi egyedi szemcse kiértékelésére képesek.
Gyors kamerák, fényes fényforrások, rövid expozíciós idők és hatékony szoftver mindennek az előfeltétele. Az alábbi ábra a Microtrac cég CAMSIZER készüléke példáján mutatja be egy DIA analizátor mérési elvét.
A szitaelemzéssel ellentétben a DIA módszer teljesen véletlenszerű elhelyezkedésekben méri meg a szemcséket. A szemcsékről készült képek alapján számos méret- és alakparaméter értéke határozható meg. Tipikus méretparaméterek, pl. a szemcsék szélesége ("width"), hossza ("length") és az azonos területű kör átmérője ("diameter of equivalent circle") (lásd alábbi ábrát).
1. A "basic" kamera detektálja a nagyobb szemcséket.
2. Két kamera készít felvételeket az áramló szemcsékről.
3. A "zoom" kamera analizálja a kisebb szemcséket.
A szemcsealak leírására szolgálnak pl. szfericitás, szimmetria, konvexitás és széleség/hosszúság arány ("aspect ratio") alakparaméterek. A DIA módszer egyik lényeges képessége a túlméretes szemcsék rendkívül érzékeny detektálása. A CAMSIZER® P4 készülék a minta mindegyik; a CAMSIZER® X2 készülék pedig a 0,01 %-ban jelenlévő túlméretes szemcse detektálására képes. A DIA készülék felbontóképesége is utolérhetetlen: hiba nélkül képes megbízhatóan detektálni a mikrométeres tartományba méretkülönbségeket és multimodális méreteloszlásokat.
Ha a DIA eredményeit a szitaelemzéséhez kívánják hasonlítani, akkor a szemcse szélessége (“width”) a választandó legjobb méretparaméter - hiszen szitálással ez a "méret" határozható meg (lásd fentebb). Szabálytalan alakú szemcsék mérésekor mégis szisztematikus eltérés adódik, mivel a DIA módszer véletlen elhelyezkedésekben méri a szemcséket. A szemcseméret-eloszlások közötti ezen eltérések mindegyik típusú szemcsealakra jellemzőek. A CAMSIZER® szoftver ("sieve correlation") algoritmusa korrigálni képes ezeket és így DIA eredmények szinte 100 %-ban megegyezhetnek a szitaelemzéssel mértekkel (lásd alábbi ábrát). Ez az eljárás nagyonis szükséges a minőségellenőrzési célból végzett szemcseméretmérésnél, mivel a termékeket különböző laboratóriumokban különböző módszerekkel mérik meg, ezért az összehasonlíthatóságot biztosítani kell.
Sztatikus lézerfényszórás (SLS) vagy másként lézerfénydiffrakció módszere esetén a szemcsék méretét közvetett módon - a szemcsék által különböző szögekbe szórt lézerfény intenzitása detektálása révén - határozzák meg. Az alábbi ábra a Microtrac cég SYNC készüléke, az egyedülálló "tri-laser" geometriájú és kamerával kiegészített modern szemcseanalizátor felépítését mutatja be.
1. kamera, 2. lézer #1, 3. lézer #2, 4. detektorsor, 5. DIA fényforrás, 6. detektorsor, 7. lézer #3
E módszer alapja az a jelenség, hogy a fény szóródik a szemcséken és ismert a szórt fény térbeli intenzitáseloszlása és a szóró szemcsék mérete közötti összefüggés. Egyszerűen kifejezve nagy szemcsék kis szögben, kis szemcsék nagy szögben szórják a fényt.
Míg a nagyobb szemcsék okozta intenzitáseloszlás meghatározott szögekben megjelenő inkább éles, jól elkülönülő maximumokból és minimumokból áll, addig a kisebb szemcséké egyre diffúzabbá válik és intenzitása is csökken. Különösen nehéz polidiszperz minta különböző méretű szemcséi méretét megmérni, mivel az egyes méretek okozta szórt fényeloszlások összeadódnak.
A sztatikus fényszórás (SLS) közvetett módszer, mely az összes szemcse által okozott és így összeadódott szórt fényeloszlás intenzitásából számítja vissza a szemcsék méreteloszlását. Ráadásul kis szemcsék esetén még anyagaik optikai tulajdonságait (törésmutatóit) is ismerni kell megbízható eredmények eléréséhez.
Mivel az SLS elmélete gömbalakú szemcséket feltételez, ezért a szemcsék alakjának meghatározása nem lehetséges. Az SLS módszer hátránya a viszonylag gyenge felbontóképesség és érzékenység is. Túlméretes szemcséket még a modern készülékek is csak akkor tudják detektálni, ha azok legalább kb. 2 vol% koncentrációban vannak jelen. A multimodális eloszlások felbontásához szükséges, hogy a két komponens mérete legalább 3x mértékben különbözzék egymástól. Háromnál több komponens általában nem is mérhető ki egy keverékben.
A lézerfénydiffrakció nagy előnye viszont, hogy gyors és bevált módszer, melyet sokfelé alkalmaznak. A néhány nanométertől milliméterekig terjedő méréstartománya révén a szemcseméretanalízis legtöbb területén alkalmazható. <1 µm-nél kisebb szemcsék képfeldolgozással nem mérhetők meg. Az SLS készülékkel való mérés könnyen végrehajtható és nagyon jól automatizálható.
A fenti bal oldali ábra az SLS, DIA és szitaelemzés eredményei összehasonlítását mutatja őrölt kávé példáján. A szitaelemzés szolgáltatja a legfinomabb eredményeket, a CAMSIZER® X2 (DIA) készülék "width" méretparaméter mérése ezzel összehasonlítható értékeket ad. Lézerfénydiffrakció módszerével lehetetlen a szitaelemzéssel elérthez hasonló eredményekre jutni, az értékek inkább a DIA módszerrel mérhető Xarea (azonos területű kör átmérője) méretparaméter értékeihez hasonlók. Az eredmény alakításába ugyanis a szemcsék összes méretjellemzője belejátszik, melyet azután gömbalakú szemcsékre vonatkoztatnak. Ez az oka annak, hogy az SLS módszer mindig szélesebb méreteloszlásokat határoz meg, mint a képfeldolgozó eljárás.
Ez még jobban látható a jobb oldali ábrán. Cellulózszálakat mértek CAMSIZER® X2 analizátorral és összehasonlítás céljából lézerdiffrakciós készülékkel. Míg a képfeldolgozás módszere képes megkülönböztetni a szálak szélességét és hosszát, addig lézerfénydiffrakcióval ez nem lehetséges. Az SLS mérés méreteloszlási görbéje eleinte a szál szélessége "width" értékei mentén halad, azután a szál hosszúsága "length" értékei felé közelít.
A dinamikus fényszórás módszere szuszpenziókban lévő szemcsék Brown-féle mozgásán alapul. A kisebb szemcsék gyorsabban, a nagyobbak lassabban mozognak. E szemcséken szóródó fény információval szolgál a szemcsék diffúziója sebességére és így azok méreteloszlására. A szemcsék így meghatározott mérete azok hidrodinamikai átmérője. A Stokes-Einstein képlet megadja a szemcseméret, a diffúziósebesség, a hőmérséklet és a viszkozitás közötti összefüggést:
A DLS módszer hidrodinamikai átmérője általában kicsit nagyobb a sztatikus lézerfényszórással meghatározott átlagos szemcseméretnél. A DLS módszer különösen nanoszemcsék analízisére alkalmas, tehát abban a mérettartományban, ahol a sztatikus fényszórás eléri teljesítőképessége határait. A DLS viszont csak legfeljebb 10 µm méretű szemcsékre használható, sőt 1 µm mérettől egyre pontatlanabbá válik. Sok DLS analizátorral meghatározható a szemcsék okozta zéta-potenciál és a szemcsék molekulasúlya is.
1. detektor | 2. visszavert lézersugár és szórt fény | 3. zafír ablak | 4. Y-sugárosztó | 5. GRIN lencse | 6. minta | 7. lézersugár optikai szálban | 8. lézer
A végső döntés - miszerint a feladat elvégzésére elegendő egyszerű szitaelemzés vagy lézerfénydiffrakció vagy képfeldolgozó szemcseanalizátor beszerzésére van szükség - a feldolgozandó minták mennyiségétől, a rendelkezésre álló büdzsé mértékétől, a szakemberek számától, a speciális nemzetközi szabványnak vagy felhasználói követelménynek való megfelelés kényszerétől is függ.
Miért is ne vennék igénybe a Microtrac cég szakembereivel való ingyenes konzultációt, hogy közösen találják meg a speciális követelményeket kielégítő optimális megoldást?
