Back to top

Velikost částic (granulometrie)

Stanovování vlastností částic je klíčovým východiskem pro řízení výroby materiálů, které se budou chovat požadovaným způsobem, ať už se jedná o sypké suroviny, koncové produkty či meziprodukty. Protože se do obecné definice částic často zahrnují též kapky a bublinky, charakterizace částic je v zájmu různých výrobců od zpracování mléčných emulzí pro potravinářství po zpracovatele kovových prášků v metalurgii. V kterémkoliv z těchto odvětví je nutné zvolit vhodnou analytickou strategii. Charakterizace částic vnáší přidanou hodnotu do mnoha průmyslových procesů, jež podporují kvalitu předních výrobků na trhu a jejich efektivní zpracování.

Dva nejvýznamnější parametry ve výzkumu a vývoji částic jsou velikost a tvar. Mezi další významné parametry ovlivňující vlastnosti produktu vyrobeného z částic patří mikrostruktura, povrch, náboj a mechanické vlastnosti. Částice jsou často složité 3D objekty, jejichž velikost a tvar často nelze dostatečně popsat z jediného obrázku. U stanovení velikosti částic se používá koncept velikosti částice ekvivalentní kouli se stejnou vybranou vlastností (průměrem kruhu, objemem, sedimentační rychlostí aj.) (obr. 1).

Analytické metody poskytují obecně buď střední hodnotu, nebo distribuci velikosti částic ve vzorku. Lze se setkat s různými distribučními křivkami v závislosti na použité analytické metodě a principu měření. Typ získané distribuční křivky je při srovnávání jednotlivých analytických metod jedním z nejdůležitějších ukazatelů. Na obrázku 2 je ukázán vliv zobrazení stejných dat pomocí výše uvedených distribucí včetně poměru intenzit signálů. Převod z jednoho typu distribuce na jiný je možný, ale vyžaduje použití určitých předpokladů o tvaru a fyzikálních vlastnostech částic. Toto je důvodem, proč například početní distribuce z obrazové analýzy typicky neodpovídá distribuci získané laserovou difrakcí.

Srovnání jednotlivých technik

Technika obrazové analýzy poskytuje početní distribuci, u níž má každá částice stejnou váhu při normalizaci nezávisle na její velikosti. Distribuce tvaru částic jsou proto obvykle početní. Početní distribuce jsou obzvláště užitečné, když je potřeba znát absolutní počet částic, například při odhalování cizích částic, nebo kde je požadované rozlišení jednotlivých částic. Existuje jak dynamická metoda stanovení, která je velmi rychlá, ale nedosahuje nejlepších výsledků u malých částic, tak statická metoda, která je pomalejší, ale vyhodnocení tvaru a velikosti částic je přesnější i díky absenci náhodné orientace částic jako je tomu u dynamické metody. Ke statické obrazové analýze lze použít automatizované mikroskopy s dispergační jednotkou pro suché prášky řady Morphologi od Malvern Panalytical a to včetně možnosti klasifikace částic podle chemického složení na základě ramanových spekter jednotlivých částic. Doporučení pro uvádění výsledků tvaru a morfologie částic lze najít v ISO 9276-6:2008 – podstatným parametrem je požadavek na minimálně 100 pixelů zaznamenávajících částici pro stanovení velikosti a 1000 pixelů pro vyhodnocení tvarových vlastností.

Technika statického rozptylu světla (laserová difrakce), poskytuje objemově váženou distribuci, u níž příspěvek každé částice závisí na jejím objemu-velikosti (nebo hmotnosti u částic o stejné hustotě). Tato distribuce je významná z komerčního hlediska, neboť zohledňuje objem (hmotnost), a tím i potenciální peněžní hodnotu produktu. Tato technika je velmi oblíbenou díky velikému dynamickému rozsahu, cenové dostupnosti a rychlosti stanovení a tak si našla cestu i k zákazníkům, kteří dříve používali pouze sedimentační nebo sítovou analýzu. Na tomto principu pracují přístroje z řady Mastersizer firmy Malvern Panalytical s širokým spektrem příslušenství obsahující kromě jednotek pro suchou i mokrou dispergaci též HydroSight pro sledování neobvyklých tvarů částic. Toto příslušenství je určené k vývoji metodiky dispergace a nelze použít ke stanovení koncentrace ani tvaru částic (neukládá všechny částice). Technika zároveň umožňuje metodu rozšířené emulace, tedy posun distribuční křivky, která odpovídá jiné metodě, např. sedimentační, sítové atd. ISO 13320:2009

Technika dynamického rozptylu světla typicky používaná pro stanovení nanočástic poskytuje distribuci váženou podle intenzity rozptýleného světla, kde je tvar distribuce závislý na velikosti částice, proto je tato distribuce extrémně citlivá na přítomnost velkých částic. Velký dynamický rozsah začínající na 0,3 nanometrech a rychlost měření dělají z této metody zlatý standard pro stanovení nanočástic. Na tomto principu pracují přístroje z řady Zetasizer Nano a Zetasizer Pro a Ultra firmy Malvern Panalytical. Tato technika je spolu s důležitými parametry popsána normou ISO 22412:2017, jejích nejdůležitější východiska pro kvalitu dat jsou shrnuta například zde. Kvalitní přehled praktických dotazů a odpovědí k DLS technice naleznete zde.

Technika sledování trajektorií (nano)částic, která byla též nedávno standardizována v normě ISO 19430:2016 (Particle tracking analysis), je automatizovaná mikroskopová technika a tak poskytuje primárně početní distribuce. Trajektorie nanočástic v Brownovském pohybu jsou sledované a jejich difuzní rychlost vyhodnocena z videozáznamu. Přístroje řady NanoSight firmy Malvern Panalytical poskytují vysoké rozlišení distribuce velikosti částic nezávislé na optických vlastnostech částic, stanovení koncentrace pro vybrané skupiny částic i možnost využití fluorescenčního značení pro stanovení původu částic. Pro vyhodnocení jednotlivých částic je třeba velmi zředěných vzorků, což je velmi výhodné například pro použití v biochemii, cíleném doručování/uvolňování léčiv a biotechnologiích.

Technika analytického odstřeďování či analytické sedimentace vyhodnocuje rychlost sedimentace/vznosu částic na základě světelných transmisních profilů, které zároveň slouží ke sledování stability disperzí či kinetiky sedimentace/separace. Tato technika poskytuje výsledky vhodnější pro podobně sedimentačně zaměřené procesy. V případě využití dvou vlnových délek světla nepotřebuje znát optické vlastnosti zkoumaných částic. Pod analytické odstřeďování patří řada přístrojů LUMiSizer a pod analytickou sedimentaci LUMiReader výrobce LUM GmbH. Tyto přístroje splňují následující normy:
ISO/TR 13097:2013 – charakterizace a stabilita kapalných disperzí,
ISO/TR 18811:2018 – testování stability kosmetických produktů,
ISO 13318-2:2007 – stanovení distribuce velikosti částic sedimentací v odstředivce,
ISO 13317-2:2001 – stanovení distribuce velikosti částic sedimentací (bez odstředění),
ISO 18747-2:2019 – stanovení hustoty částic sedimentací.
LUMiReader navíc umožňuje testování fázové separace asfaltenů z těžkých topných olejů působením n-heptanu podle ASTM D7827 - 12(2017).

Tabulka 1 uvádí obecný přehled nejvýznamnějších dostupných technologií. Uvedené rozsahy velikostí jsou jen přibližné a mohou se měnit v závislosti na přístroji.

Nepřímo na distribuci velikosti částic ukazuje i reologické chování suspenzí, které lze naměřit například na rotačních reometrech Kinexus či kapilárních reometrech Rosand firmy Malvern Panalytical. Dále pro sledování přítomnosti prachových částic v čistých prostorách slouží výrobky firmy Particle Measuring Systems, které poskytují koncentraci částic roztříděnou podle velikosti až do šesti tříd.

 

Řada přístrojů

Phenom Pharos

Unikátní stolní SEM s autoemisním zdrojem (FEG) Schottkyho typu a rozlišením 2,5 nm!

Malvern Panalytical Zetasizer Pro a Ultra

Nové Zetasizer Pro a Ultra s vylepšeným zpracováním výsledků, vyšším rozlišením díky MADLS a možnosti měření koncentrace částic.

Phenom XL

Nejrychlejší stolní SEM pro velké vzorky a automatizaci nejen v průmyslu

Phenom řady P

Nejrychlejší stolní rastrovací elektronové mikroskopy s překvapivě kvalitními snímky a intuitivním ovládáním.

Přístrojová řada Zetasizer Nano umožnuje kombinovat výběr až tří nejdůležitějších parametrů při studiu nanomateriálů v koloidní a polymerní problematice, a to analýzu velikosti částic, měření zeta potenciálu a stanovení molekulové hmotnosti.

Automatizovaný morfologický optický mikroskop s ramanovým spektrometrem pro analýzu velikosti, tvaru a složení částic s automatickou disperzní jednotkou pro práškové materiály, držáky pro filtry i celami pro suspenze a emulze.

Z videozáznamu trajektorií pohybu částic se stanovuje distribuce velikosti, rychlosti a koncentrace částic od 10 do 2000 nm. Částice lze rozlišit pomocí fluorescence i intenzity rozptýleného světla až 4 vlnových délek.

Přístroje

pro měření velikosti v rozmezí 10-2000 nm a koncentrace (10^6–10^9 částic v ml) dispergovaných částic a molekul v roztoku, možnost fluorescenčního rozlišení původu částic