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Schüttgut besser analysieren 10 Fehler bei der Partikelanalyse

Autor / Redakteur: Kai Düffels* / Christian Lüttmann

Größenverteilung, Formfaktor, Schüttdichte – es gibt zahlreiche Parameter, die ein Schüttgut als Ganzes beschreiben. Doch deren Bestimmung unterliegt auch vielen Fehlerquellen. Wie man von der Probenahme bis zu einem aussagekräftigen Ergebnis kommt, zeigen diese zehn Tipps zur Partikelanalyse von Microtrac MRB.

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Abb.1: Das Trockendispergiersystem des Camsizer X2 hilft bei einer zuverlässigen Partikelcharakterisierung.
Abb.1: Das Trockendispergiersystem des Camsizer X2 hilft bei einer zuverlässigen Partikelcharakterisierung.
(Bild: Microtrac Retsch; Unsplash (Nicolas Gras))

Die Partikelanalyse ist integraler Bestandteil der Qualitätskontrolle von Schüttgütern und wird in zahlreichen Laboratorien routinemäßig durchgeführt. Das sorgt einerseits für einen schnellen und eingespielten Analyseablauf, andererseits werden die jahrelang etablierten Methoden kaum mehr hinterfragt. Dabei sollte man das Vorgehen gelegentlich kritisch überprüfen, denn eine Reihe von Fehlerquellen können die Ergebnisse einer Partikelanalyse verfälschen.

Dieser Artikel soll Denkanstöße liefern, um die eigenen Methoden zur Partikelcharakterisierung reproduzierbarer und vor allem aussagekräftiger zu machen.

1. Probenahme

Bei der Beprobung inhomogener Schüttgüter ist zu beachten, dass die Eigenschaften der entnommenen Laborprobe denen der Gesamtmenge entsprechen. Weil sich Materialien bei der Handhabung nach der Größe trennen (Segregation), ist eine solche repräsentative Probennahme mitunter erschwert. Beim Transport beispielsweise bewegen sich kleine Partikel durch Vibration in den Zwischenräumen nach unten und sammeln sich am Boden des Gebindes. Bei Schüttkegeln beobachtet man üblicherweise eine Konzentration der kleinen Partikel im Inneren des Kegels. Eine Beprobung an einer einzelnen Stelle kann daher kaum repräsentativ sein. Oftmals werden Teilproben an mehreren Stellen entnommen und zu einer Mischprobe vereint, um dem Effekt der Segregation entgegenzuwirken. Geeignete Hilfsmittel wie Probenahme-Lanzen können die Situation weiter verbessern.

2. Probenteilung

Abb.2:  links: Wahllose Probenahme. Vier Messungen mit dem Camsizer P4 Bildanalysator (rot / blau / violett / grün) liefern vier unterschiedliche Ergebnisse. Keines liegt innerhalb des erwarteten Bereichs (Referenzwerte: schwarze und blaue *).
 rechts: Probenteilung mit Rotationsprobenteiler liefert vier identische Ergebnisse, die gut mit den Referenzwerten (*) übereinstimmen.
Abb.2:  links: Wahllose Probenahme. Vier Messungen mit dem Camsizer P4 Bildanalysator (rot / blau / violett / grün) liefern vier unterschiedliche Ergebnisse. Keines liegt innerhalb des erwarteten Bereichs (Referenzwerte: schwarze und blaue *).
 rechts: Probenteilung mit Rotationsprobenteiler liefert vier identische Ergebnisse, die gut mit den Referenzwerten (*) übereinstimmen.
(Bild: Microtrac Retsch)

Die Probenmenge, die für die Partikelanalyse zur Verfügung steht, ist üblicherweise zu groß für die verwendeten Messgeräte. In vielen Fällen muss man die Menge im Labor weiter reduzieren. Mangelhafte oder nicht durchgeführte Probenteilung ist eine der Hauptfehlerquellen bei der Partikelanalyse, besonders bei breit verteilten Schüttgütern. Wahllose Probenahme erzeugt Teilproben mit unterschiedlicher Partikelverteilung, was sich an der schlechten Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erkennen lässt (s. Abb .2, links). Die Verwendung von Probenteilern kann hier Abhilfe schaffen. Schon ein einfacher Riffelteiler führt zu wesentlich verbesserter Reproduzierbarkeit, wenn mehrere Teilproben analysiert werden. Die besten Teilungsergebnisse erzielen automatische Rotationsprobenteiler wie der Retsch PT 100 (s. Abb. 2, rechts). Bei dem verwendeten Probenmaterial handelt es sich um einen Normensand mit einer Partikelgröße zwischen 63 und 4000 µm.

3. Dispergierung

Dispergierung bezeichnet das Auftrennen zusammengelagerter bzw. aneinanderhaftender Teilchen, sodass die Partikel einzeln der Messung zugänglich werden. Partikel, die aufgrund anziehender Kräfte zusammenhängen, werden Agglomerate genannt. Üblicherweise ist es erwünscht, diese Agglomerate vor der Messung aufzubrechen. Es kann aber auch von Interesse sein, Agglomerate gezielt zu erzeugen (Granulation). Dann ist Dispergierung vorsichtig einzusetzen, um die zu messenden Strukturen nicht zu zerstören. Bei Trockenmessungen geschieht Dispergierung üblicherweise in einem Druckluftstrom. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für Trockenmessungen mit dem optischen Partikelanalysator Cam­sizer X2 von Microtrac bei unterschiedlichen Dispergierdrücken. Beim ersten Beispiel (s. Abb. 3 links) wird mit steigendem Druck das Ergebnis immer feiner, bis es sich bei 150 kPa und darüber stabilisiert. 150 kPa wäre daher der optimale Dispergierdruck für diese Probe. Generell gilt bei der Auswahl des Dispergierdrucks: „So viel wie nötig und so wenig wie möglich“. Für die meisten pulverförmigen Materialien reichen bereits 20-30 kPa zur vollständigen Dispergierung aus. Im zweiten Messbeispiel (s. Abb. 3 rechts) wird die Verteilung ab einem Druck von 100 kPa immer feiner, was auf eine Vermahlung der Partikel schließen lässt. Rieselfähige Proben können sogar im Freifall analysiert werden.

Abb.3: links: Mit steigendem Druck wird das Ergebnis feiner. 5 kPa (rot), 30 kPa (grün), 80 kPa (blau), 150 kPa (violett) und 250 kPa (orange). Von 150 kPa auf 250 kPa ist keine Änderung mehr feststellbar. Probe: Milchpulver.
 rechts: Messungen bei 20 bis 50 kPa liefern identische Ergebnisse, ab 100 kPa wird das Ergebnis feiner, was auf fortschreitende Zerstörung der Partikel hindeutet. 20 kPa (rot), 30 kPa (braun), 50 kPa (orange), 100 kPa (violett), 100 kPa (violett), 150 kPa (grau), 200 kPa (grün), 300 kPa (dunkelgrün) und 460 kPa (blau)
Abb.3: links: Mit steigendem Druck wird das Ergebnis feiner. 5 kPa (rot), 30 kPa (grün), 80 kPa (blau), 150 kPa (violett) und 250 kPa (orange). Von 150 kPa auf 250 kPa ist keine Änderung mehr feststellbar. Probe: Milchpulver.
 rechts: Messungen bei 20 bis 50 kPa liefern identische Ergebnisse, ab 100 kPa wird das Ergebnis feiner, was auf fortschreitende Zerstörung der Partikel hindeutet. 20 kPa (rot), 30 kPa (braun), 50 kPa (orange), 100 kPa (violett), 100 kPa (violett), 150 kPa (grau), 200 kPa (grün), 300 kPa (dunkelgrün) und 460 kPa (blau)
(Bild: Microtrac Retsch)

Auch in Suspensionen können Agglomerate auftreten. Dies lässt sich oft schon durch die Auswahl eines geeigneten Dispergiermediums (Trägerfluids) unterbinden. Agglomerate, die noch in der Suspension vorhanden sind, lassen sich durch die Verwendung von Ultraschall aufbrechen. In den meisten modernen Partikelmessgeräten sind starke Ultraschallsonden eingebaut, sodass die Probenvorbereitung komplett im Gerät erfolgen kann.

Generell gilt: Je größer die Partikel sind, desto höher ist die Fehlerwahrscheinlichkeit bei Probenahme und Probenteilung. Bei feineren Partikeln liegt die Fehleranfälligkeit eher bei der Dispergierung.

4. Größendefinition

Partikelgröße ist strenggenommen nur für kugelförmige Gebilde eindeutig definiert, nämlich als Durchmesser ebendieser Kugel. Bei nicht-sphärischen Partikeln können, je nach Orientierung und verwendeter Messtechnik, unterschiedliche Messwerte erzielt werden. So können z. B. eine 15-mm-Mahlkugel und ein Legostein (12x15x24 mm) durch ein 16-mm-Sieb passen, während sie von einem 14-mm-Sieb zurückgehalten werden. Für die Sieb­analyse sind beide Objekte gleich groß, sie haben den gleichen „Äquivalentdurchmesser“ von 14-16 mm. Bei der Messung mit der Schieblehre erhält man für den Legostein je nach Orientierung kleinere oder größere Werte.

Abb.4: Partikelgröße hängt auch von der Form und dem verwendeten Messmittel ab.
Abb.4: Partikelgröße hängt auch von der Form und dem verwendeten Messmittel ab.
(Bild: Mictrotrac Retsch)

Auch fortschrittlichere Methoden zur Partikelmessung verwenden unterschiedliche „Größenmodelle“. Bei der Siebanalyse orientieren sich die Partikel im Idealfall so, dass sie mit ihrer kleinsten Projektionsfläche durch die kleinstmögliche Masche passen. Siebanalyse bestimmt also tendenziell die Partikelbreite. Bei bildgebenden Verfahren (z. B. Camsizer) sind unterschiedliche Größendefinitionen zugänglich. Größenverteilungen können für Länge und Breite separat ausgewiesen werden.

Abb.5: Partikelgrößenverteilungen einer Probe Kaffeepulver, ermittelt mit Siebanalyse (schwarze *), Laserbeugung (orange *) und dynamischer Bildanalyse. Die Bildanalyse liefert drei Ergebnisse basierend auf Partikelbreite (rot), Partikellänge (blau) oder kreisäquivalentem Durchmesser (grün). Die Definition „Breite“ passt gut zur Siebanalyse, Laserbeugung entspricht tendenziell dem kreisäquivalenten Durchmesser.
Abb.5: Partikelgrößenverteilungen einer Probe Kaffeepulver, ermittelt mit Siebanalyse (schwarze *), Laserbeugung (orange *) und dynamischer Bildanalyse. Die Bildanalyse liefert drei Ergebnisse basierend auf Partikelbreite (rot), Partikellänge (blau) oder kreisäquivalentem Durchmesser (grün). Die Definition „Breite“ passt gut zur Siebanalyse, Laserbeugung entspricht tendenziell dem kreisäquivalenten Durchmesser.
(Bild: Microtrac Retsch)

Bei der Laserbeugung werden alle Beugungssignale so ausgewertet, als würden sie von ideal kugelförmigen Modellpartikeln erzeugt. Die Partikelform ist dabei, anders als bei der Bildanalyse, nicht bestimmbar. Des Weiteren wertet Laserbeugung ein Signal aus, das von einem Partikelkollektiv mit Teilchen unterschiedlicher Größe generiert wird. Die Auswertesoftware berechnet die Größenverteilung deshalb nur indirekt. Dennoch ist Laserbeugung dank der großen Vielseitigkeit und des breiten Messbereiches von wenigen Nanometern bis in den niedrigen Millimeterbereich ein etabliertes Verfahren. Abbildung 5 zeigt das Ergebnis der Größenmessung einer Probe Kaffeepulver mit Siebung, Camsizer-Bildanalyse und Laserbeugung.

Aus den oben beschriebenen Überlegungen ergibt sich, dass unterschiedliche Verfahren zur Partikelmessung zwangsläufig verschiedene Ergebnisse produzieren. Während Laserbeugung und Siebanalyse schwierig zu korrelieren sind, liegen die Ergebnisse von Siebanalyse und Bildanalyse oft sehr nah beieinander, da mit den bildgebenden Verfahren die Partikelbreite bestimmt werden kann und Siebanalyse tendenziell eine Breitenmessung ist.

5. Falsche Probenmenge

Die Verwendung von zu viel oder zu wenig Material kann das Messergebnis negativ beeinflussen. Bei der Laserbeugung kann eine zu hohe Partikelkonzentration zu Mehrfachstreuung führen, bei zu wenig Probe ist das Signal-/Rauschverhältnis schlecht. Allerdings zeigen moderne Laseranalysatoren die ideale Konzentration für die Messung an und warnen die Anwender, sobald die Menge zu hoch oder zu gering ist. Bei der Bildanalyse besteht eigentlich keine Gefahr, zu viel Probe zu verwenden. Wird hingegen zu wenig Probe analysiert, ist das Ergebnis aufgrund der geringen Anzahl an Detektionen unzuverlässig und schlecht wiederholbar. Da die benötigte Menge an Partikeldetektionen von der Größe der Partikel und noch mehr von der Verteilungsbreite abhängt, ist es hier schwierig, allgemeingültige Empfehlungen auszusprechen. Hilfreich sind Wiederholbarkeitstests, bei denen man besonders das „grobe Ende“ der Verteilung im Blick hat. Die Wiederholbarkeit lässt sich mit der Verwendung von mehr Probenmenge verbessern. Bei der dynamischen Bildanalyse mit Camsizer-Geräten werden unter normalen Bedingungen in zwei bis fünf Minuten genug Partikel detektiert, um ein stabiles Messergebnis zu erzielen.

Am stärksten ist der Einfluss der Probenmenge bei der Siebanalyse: einer der häufigsten Fehler sind hier überladene Siebe. Wird zu viel Probenmenge verwendet, können Partikel sich in den Maschen festsetzen und diese blockieren. Kleine Partikel fallen dann nicht mehr durch das blockierte Sieb und die gemessene Größenverteilung ist „zu grob“.

Bei der Siebanalyse muss die Probenmenge auf die Partikelgröße, den verwendeten Siebturm und die Dichte abgestimmt sein. Der einfache Weg, immer 100 g zu verwenden, führt meist in eine Sackgasse, denn 100 g können zu viel oder zu wenig sein. In keinem Fall ist beim Abwiegen von 100 g eine repräsentative Probenteilung gegeben.

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