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Confronto dei metodi di caratterizzazione delle particelle

Le tecniche più comuni per determinare la distribuzione delle dimensioni delle particelle sono l'analisi d'immagine dinamica (Dynamic Image Analysis - DIA), la diffusione statica della luce laser (Static Light Scattering - SLS, chiamata anche diffrazione laser), la diffusione dinamica della luce laser (Dynamic light scattering - DLS) e la setacciatura. Questo articolo presenta i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnica e le mette a confronto.

Ciascun metodo copre un intervallo granulometrico caratteristico entro il quale è possibile effettuare la misurazione. Tali intervalli si sovrappongono parzialmente. DIA, SLA e setacciatura, ad esempio, possono misurare le particelle in un intervallo da 1 µm a 3 mm. Tuttavia, i risultati per misurare lo stesso campione possono variare notevolmente.

La seguente tabella fornisce una panoramica dei range di misura delle varie tecnologie e degli analizzatori di Microtrac a loro associati.

Un confronto delle tecniche di misura
Caratterizzazione delle particelle - Panoramica di prodotto


Il nostro team di esperti sarà lieto di darvi consigli sulla vostra specifica applicazione e sulla nostra ampia gamma di prodotti.

L'analisi mediante Setacciatura: fedele alla tradizione

La setacciatura è ancora il metodo tradizionale e più comunemente utilizzato per la determinazione della dimensione delle particelle. Diversi setacci di aperture crescenti vengono impilati l'uno sull'altro su un vibrosetacciatore, il campione viene posto sul setaccio più in alto e il vibrosetacciatore azionato solitamente per 5-10 minuti. Di conseguenza, le particelle si distribuiscono tra i vari setacci della pila (frazioni) in base alla loro dimensione. Idealmente, le particelle attraversano l'apertura più piccola del setaccio con la loro superficie di proiezione più piccola. Le particelle cubiche vengono prese come modello per la corrispondenza alla lunghezza del bordo del cubo. Per le particelle lenticolari, la dimensione determinata dall'analisi mediante setacciatura sarebbe un valore compreso tra lo spessore e il diametro della lente, poiché la particella è orientata diagonalmente verso l'apertura del setaccio (vedi figura a destra). Pertanto, la setacciatura è una tecnica che misura le particelle nel loro orientamento preferito con la tendenza a determinare principalmente la larghezza delle particelle.

La setacciatura viene eseguita fino al punto in cui la massa del campione non cambia più (= massa costante) sui rispettivi setacci. Ogni setaccio viene pesato ed il volume di ciascuna frazione viene calcolato in percentuale secondo il peso, fornendo una distribuzione correlata alla massa. La risoluzione dell'analisi per setacciatura è limitata dal numero di frazioni granulometriche ottenibili. Una pila di setacci standard è composta da un massimo di 8 setacci, il che significa che la distribuzione delle dimensioni delle particelle si basa solo su 8 punti dati. L'automazione della procedura è di difficile attuazione, il che la rende piuttosto dispendiosa in termini di tempo. Le fasi di elaborazione della setacciatura sono la pesata iniziale, la setacciatura di 5-10 minuti, la pesata successiva alla setacciatura e la pulizia dei setacci. Gli errori più comuni consistono nel sovraccarico dei setacci (blocco delle aperture dei setacci, risultati troppo grossolani); nell'utilizzo di setacci vecchi, usurati o danneggiati (risultati troppo fini) o in errori nel trasferimento dei dati. Si dovrebbe inoltre tenere conto del fatto che anche le dimensioni delle aperture dei nuovi vagli conformi alle norme sono soggette a determinate tolleranze. La dimensione media dell'apertura reale di un setaccio da 1 mm, ad esempio, può deviare di circa ± 30 µm, per un setaccio da 100 µm è ± 5 µm (ovvero la dimensione media dell'apertura reale è compresa tra 95 e 105 µm). Tuttavia, questo rappresenta solo il valore medio e pertanto implica che alcune aperture possono essere addirittura maggiori. 

 

 

Analisi dinamica d'immagine e setacciatura

Con l'Analisi D'immagine Dinamica, un numero elevato di particelle viene spostato di fronte ad un sistema di telecamere e analizzato in tempo reale. I moderni sistemi DIA acquisiscono diverse centinaia di fotogrammi al secondo e valutano milioni di singole particelle in pochi minuti. Fotocamere veloci, sorgenti luminose intense, tempi di esposizione brevi e i potenti software sono i prerequisiti per un'analisi precisa e rapida. L'immagine sottostante mostra il principio di misurazione del CAMSIZER X2 come esempio di un analizzatore DIA.

Contrariamente all'analisi mediante setacciatura, la tecnologia DIA misura le particelle con un orientamento completamente casuale. In base alle immagini delle particelle vengono determinate un'ampia varietà di parametri di dimensione e forma delle particelle. Tra gli innumerevoli parametri dimensionali vengono misurate larghezza, lunghezza e diametro del cerchio equivalente (come da figura sottostante).

Tecnologia a doppia fotocamera

1. La fotocamera di base rileva le particelle più grandi.
2. L'intero flusso di particelle viene registrato da due telecamere.
3. La telecamera zoom analizza le particelle più piccole.

Figura 1

I parametri per descrivere la forma delle particelle includono sfericità, simmetria, convessità e forma. Una caratteristica essenziale dell'Analisi D'Immagine Dinamica è la sensibilità di rilevamento estremamente elevata per grani sovradimensionati. Il CAMSIZER® P4, ad esempio, è progettato per rilevare ogni singola particella di un campione; il modello CAMSIZER® X2 ha un limite di rilevamento dello 0,01% per le particelle sovradimensionate. Anche la risoluzione dei sistemi DIA è imbattibile: le differenze delle dimensioni più piccole all'interno della gamma micrometrica vengono rilevate in modo affidabile e le distribuzioni multimodali vengono risolte senza errori.

La "larghezza" delle particelle è il parametro migliore da valutare se confrontiamo la tecnologia dell'Analisi D'Immagine Dinamica (Dynamic Image Analysis) con la setacciatura. Tuttavia possono sussistere delle differenze sistematiche nei risultati quando si misurano le particelle di forma irregolare, in quanto la tecnologia DIA misura le particelle con orientamento casuale. Le differenze nella distribuzione delle dimensioni delle particelle sono caratteristiche per ciascuna forma definita delle particelle. Il software CAMSIZER® dispone di algoritmi che consentono di correlare i risultati della DIA quasi al 100% con quelli ottenuti dall'analisi mediante setacciatura (vedi Fig. Sotto). Questa procedura è frequentemente implementata nelle applicazioni d'analisi della dimensione delle particelle per il controllo qualità, poiché in un mercato globalizzato molti prodotti vengono analizzati da diversi laboratori con diverse tecniche di misurazione e ciò richiede l'utilizzo di metodi e risultati comparabili.

Analisi dinamica d'immagine e diffrazione laser

Con l'analisi statica della luce laser, chiamata anche diffrazione laser, la dimensione delle particelle viene misurata indirettamente rilevando le distribuzioni d'intensità della luce laser diffusa dalle particelle ad angoli diversi. La seguente figura mostra la configurazione di Microtrac SYNC, un granulometro laser all'avanguardia con la sua esclusiva geometria Tri-Laser ed una telecamera aggiuntiva.

Analisi dinamica d'immagine e diffrazione laser

 

1. Fotocamera,   2. Laser 1,    3. Laser 2,    4. Insieme di rilevatori,    5. Sorgente luminosa DIA,    6. Insieme di rilevatori,    7. Laser 3

Questa tecnica si basa sul fenomeno di diffusione della luce dalle particelle e della correlazione tra la distribuzione dell'intensità e la dimensione delle particelle. In poche parole, le particelle grandi disperdono la luce a piccoli angoli mentre le particelle piccole producono modelli di dispersione ad ampio angolo. Le particelle grandi producono distribuzioni d'intensità piuttosto nette con massimi e minimi distintivi ad angoli definiti, mentre il modello di diffusione della luce delle piccole particelle diventa sempre più diffuso e l'intensità complessiva diminuisce. La misurazione delle particelle di dimensioni diverse in un campione polidisperso risulta particolarmente difficile poiché i singoli segnali di diffusione della luce delle particelle si sovrappongono l'un l'altro.

La diffusione della luce laser statica (SLS) è un metodo indiretto che calcola le distribuzioni delle dimensioni delle particelle sulla base di schemi sovrapposti di luce diffusa e causati da un intero collettivo di particelle. Inoltre, le proprietà ottiche del materiale (indice di rifrazione) devono essere note per le particelle piccole affinché il calcolo produca risultati affidabili. Poiché la teoria di SLS si basa sull'assunzione di particelle sferiche, la valutazione della forma delle particelle non risulta possibile con tale tecnica. Un limite dell'SLS risiede nella risoluzione e nella sensibilità relativamente basse. Il grano sovradimensionato può anche essere rilevato solo da analizzatori moderni da ca. 2 vol%. Per risolvere le distribuzioni multimodali, la dimensione dei due componenti deve differire di almeno un fattore 3. Il grande vantaggio della diffrazione laser è che è una tecnica rapida e consolidata che offre una grande flessibilità. A differenza, l'analisi d'immagine non può essere implementata per particelle <1 µm. Con un intervallo di misurazione da pochi nanometri a millimetri, il metodo può essere utilizzato per la maggior parte dei requisiti nella tecnologia delle particelle. Le analisi con i dispositivi SLS sono facili da eseguire e possono essere ampiamente automatizzate.

Figura 2
Figura 3

La figura in alto a sinistra mostra il confronto tra diffusione statica della luce laser (Static Light Scattering - SLS, chiamata anche diffrazione laser), l'analisi d'immagine dinamica (Dynamic Image Analysis - DIA) e setacciatura utilizzando l'esempio di un campione di caffè macinato. L'analisi mediante setacciatura fornisce il risultato migliore, la misurazione della larghezza del CAMSIZER® X2 (DIA) fornisce un risultato comparabile quando si considera la larghezza delle particelle. L'analisi laser rende impossibile confrontare la vagliatura, il risultato corrisponde approssimativamente all'area (diametro del cerchio con la stessa area) o DIA. Tuttavia, tutte le dimensioni delle particelle sono incluse nel risultato, che sono quindi correlate alle particelle sferiche. Ecco perché SLS offre sempre distribuzioni più ampie rispetto all'analisi delle immagini.

Questo diventa ancor più chiaro ed evidente nell'immagine a destra. In questa figura viene rappresentato un campione di fibre di cellulosa stato misurato con CAMSIZER® X2 e comparabilmente con un granulometro laser. Sebbene l'analisi dell'immagine distingua tra lo spessore e la lunghezza della fibra, tale parametro non è possibile con la diffrazione laser. La curva di misurazione della diffrazione laser è inizialmente parallela alla misurazione della larghezza e quindi si avvicina alla "lunghezza della fibra".

Diffrazione laser e diffusione dinamica della luce (DLS)

La diffusione dinamica della luce (Dynamic light scattering - DLS) si basa sul moto browniano delle particelle in sospensione. Le particelle più piccole si muovono più velocemente, le particelle più grandi si muovono più lentamente. La luce diffusa da queste particelle contiene informazioni sulla velocità di diffusione e quindi sulla distribuzione dimensionale. La dimensione delle particelle determinata è un diametro idrodinamico. L'equazione di Stokes-Einstein descrive la relazione tra dimensione delle particelle, velocità di diffusione, temperatura e viscosità:

Il diametro idrodinamico del DLS è generalmente un po 'più grande della dimensione media delle particelle determinata dalla diffusione statica della luce. La tecnica DLS è particolarmente adatta per l'analisi di nanoparticelle in cui la diffusione statica della luce raggiunge i suoi limiti. D'altra parte, i sistemi DLS funzionano solo per particelle di dimensioni fino a 10 µm ed è sempre più impreciso sopra 1 µm. Inoltre, molti analizzatori DLS offrono la possibilità di determinare il potenziale zeta e il peso molecolare.

Principio di misurazione della diffusione dinamica della luce

Principio di misurazione della diffusione dinamica della luce

 

1. Rivelatore |  2. Raggio laser riflesso e luce diffusa |  3. Finestra in zaffiro |  4. Divisore del fascio di luce a Y. |  5. Obiettivo GRIN |  6. Campione | 7. Raggio laser in fibra ottica |  8. Laser

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Per definire la scelta finale tra una semplice setacciatura o l'investimento nella diffrazione laser o nell'Analisi d'Immagine Dinamica è necessario valutare molti fattori tra cui il volume dei test, il budget, il personale disponibile, eventuali standard internazionali specifici o i requisiti dei clienti.

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